TSTE92 Elektriska kretsar
Kopplingslabbar: Likström och växelström
Version 2.1
28 september 2015
Laborant 1
Student-ID 1
Personnummer 1
Datum för godkännande
Laborant 2
Student-ID 2
Personnummer 2
Datum för godkännande
1
Innehåll
1 Allmän information
3
2 Laboration 1 - Koppla och mäta
2.1 Förberedelseuppgifter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Karakterisering av ett batteri . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 Uppmätning av IV-karaktäristik . . . . . . . . . . . . .
2.3 Karakterisering av citronbatteri . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1 Uppmätning av effektöverföringskaraktäristik . . . . . .
2.4 RC-Krets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1 Beteendet med sinusformade spänningar . . . . . . . .
2.4.2 Beteendet med fyrkantspulser . . . . . . . . . . . . . .
2.4.3 Sinusspänningar igen, fast tvärtom . . . . . . . . . . .
2.4.4 Fyrkantspulser igen, fast tvärtom (extrauppgift) . . . .
2.5 Bestämning av en spoles induktans och resistans (extrauppgift)
2.6 Redovisning av laborationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
4
7
7
10
10
12
13
14
14
16
19
19
3 Laboration 2 - Miniprojektet
3.1 Beräkningar . . . . . . . . . . . . .
3.2 Simuleringar med exakta värden . .
3.3 Simuleringar med avrundade värden
3.4 Uppkoppling . . . . . . . . . . . . .
3.5 Verifiering . . . . . . . . . . . . . .
3.6 Rapportering . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
20
20
20
20
21
21
21
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4 Seminarier
4.1 Introduktion till labbet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Introduktion till miniprojektet - MultiSim . . . . . . . . .
4.2.1 Första momentet - tutorial . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2 Andra momentet - börja simulera er projektuppgift
4.3 Introduktion till hemuppgifterna - MATLAB . . . . . . . .
4.3.1 Första momentet - Nodanalys likström/växelström
4.3.2 Andra momentet - Exempel på inlämningsuppgift .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
23
24
25
25
26
27
27
28
5 Labutrustning
5.1 Introduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2 Starta NI ELVISmx Instrument Launcher . . . . . .
5.3 Kopplingsplattan och anslutningar till instrumenten
5.4 Användning av DMM . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5 Övrig utrustning . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
29
29
32
34
35
35
2
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
1
Allmän information
Detta kompendium innehåller information dels kring de tre seminariena som
ges i början av kursen, samt till de laborationer som kommer senare i kursen.
Förberedelseuppgifterna (kapitel 2.1) ska utföras inför laborationstillfällena och måste vara klara när ni kommer om ni ska få ut komponenter att
laborera på. Det är er egen tid ni äter upp om ni inte är förberedda och assistenten låser in komponenterna igen efter fyra timmar och lämnar lokalen.
Målet med laborationerna är att få större insikt och känsla för de olika
komponenter och fenomen som förekommer i elektriska kopplingar vad gäller
så kallad svagström och låga frekvenser. Ytterligare ett syfte med laborationen är att ge träning i användning av den miljö för prototyputveckling kallad
Elvis II+.
Läs noga igenom labkompendiet och besvara förberedelseuppgifterna innan laboration 1 och 2. Kom väl förberedda till seminarierna.
Notera att ni under laborationerna ska samla in data i olika former och
rita figurer och föra tabeller. Använd gärna ett kalkylark och grafritare (Excel, LibreOffice) för att göra detta. Ni kan också ta bilder från skärmen och
klippa in i ett ordbehandlingsprogram för att sammanfatta resultaten.
3
2
2.1
Laboration 1 - Koppla och mäta
Förberedelseuppgifter
Uppgift 1. Studera ingående avsnitt 5 - i slutet av detta PM - som beskriver
mätinstrument och annan utrustning som skall användas i laborationskursen.
Mer information fås även här: http://www.ni.com/pdf/manuals/374629c.pdf
Uppgift 2. I avsnitt 2.2 ska den inre resistansen av ett batteri beräknas genom att koppla en dekadresistans till batteriet. Figur 1 visar ett kretsschema
för uppkopplingen där E betecknar batteriets tomgångsspänning, Ri den inre resistansen, RL dekadresistansens värde samt UL spänningen över lasten.
Hur beräknas strömmen IL samt den inre resistansen Ri givet spänningen
UL och resistansen RL ?
...........................................................................
Ri
+
E
U
+
RL
UL
_
IL
Figur 1: Modell av ett batteri kopplat till en last med resistans RL .
Uppgift 3. Antag att du har ett batteri med en given spänning E volt. Hur
skall man koppla N batterier för att få NE volts utspänning?
.........................................................................
Uppgift 4. Antag att du har ett batteri med en inre resistans Ri Ω. Hur
skall man koppla N batterier för att få så liten resistans om möjligt? Hur
liten blir den?
.........................................................................
Uppgift 5. Antag att ett batteri med inre resistans Ri driver ström genom
en resistans RL enligt figur 1. Vid vilket förhållande mellan inre resistans,
4
Ri , och lastresistans, RL , fås maximal effekt i lasten?
.........................................................................
Uppgift 6. Beräkna gränsfrekvensen för filtret i mätuppgift 2.4.1.
..........................................................................
Uppgift 7. Beräkna gränsfrekvensen för filtret i mätuppgift 2.4.3.
..........................................................................
Uppgift 8. (extrauppgift) Bestäm ett uttryck på Uut /Uin för kretsen i mätuppgift 2.5. Uin och Uut är komplexa spänningar, svarande mot stationära
sinusspänningar.
..........................................................................
Uppgift 9. (extrauppgift.) Bestäm ur det erhållna sambandet ett uttryck
för kretsens resonansvinkelfrekvens ω0 .
..........................................................................
Uppgift 10. (extrauppgift.) Formulera en metod för bestämning av induktansvärdet L för kretsen i mätuppgift 2.5.
...........................................................................
...........................................................................
5
..........................................................................
Uppgift 11. (extrauppgift.) Givet mätmetoderna ovan - formulera en metod för bestämning av spolens resistans RL . Det är ej tillåtet att använda
multimeter.
...........................................................................
...........................................................................
..........................................................................
6
2.2
Karakterisering av ett batteri
Uppgiften i denna del är att bestämma den inre resistansen för ett batteri.
Till detta behövs följande:
• Digital multimeter (DMM) i ELVIS-miljön.
• Batteri
• Dekadresistans
• Sladdar
Viktigt: kortslut aldrig batteriet och ha bara batteriet inkopplat
under tiden du mäter. Detta innebär att det inte är möjligt att direkt mäta
batteriets kortslutningsström med multimetern. Dessutom kan resistans bara
mätas i en krets som inte är spänningssatt varför det heller inte är möjligt
att mäta den inre resistansen direkt.
För att bestämma batteriets inre resistansen Ri skall en dekadresistans
kopplas till batteriet enligt figur 1. Genom att mäta spänningen UL över dekadresistansen samt dekadresistansens resistans RL för olika inställningar så
kan motsvarande ström genom lasten IL samt den inre resistansen beräknas.
Det är sedan möjligt att extrapolera (beräkna vad som händer utanför mätvärdena) fram kortslutningsströmmen och därmed bestämma den inre resistansen. Vid mätning av spänning eller resistans används COM-anslutningen
samt V Ω-anslutningen på den DMM.
Uppgift 12. Mät tomgångsspänningen. Vad blir den?
.........................................................................
2.2.1
Uppmätning av IV-karaktäristik
Mät resistans och spänning för olika inställningar av RL och för in resultaten
i tabell 1. Här kan det vara vettigt att använda datorn framför dig också
för att fylla i värdena. Beräkna motsvarande ström och inre resistans enligt
svaret till förberedelseuppgifterna. Exempel på lämpliga resistanser RL är
0.5, 0.7, 1.0, 1.5, 2.5, 5.5 och ∞ Ω.
Värdet på dekadresistansen är svårt att ställa in men observera att det
inte är viktigt att exakt sätta RL till de rekommenderade värdena. Obs!
Använd inte lägre resistans än 0.5 Ω för då laddas batterierna snabbt ur!
7
Uppmätt resistans
Uppmätt spänning
Beräknad ström
Inre resistans
Tabell 1: Tabell för mätning av batteriström.
Uppgift 13. För in mätvärdena i figur 2 och extrapolera (det finns smidiga
verktyg i libreoffice och excel’s grafer som kan göra detta) fram kortslutningsströmmens storlek, dvs då UL = 0 V (när skär kurvan de olika axlarna).
Kortslutningsströmmen för batteriet är:
...........................................................................
Uppgift 14. Vad blir den inre resistansen om den beräknas med tomgångsspänningen och kortslutningsströmmen:
.........................................................................
Uppgift 15. Stämmer den inre resistansen beräknad ovan med de beräknade
i tabell 1?
.........................................................................
8
Ström genom lasten, IL [A]
Spänning över lasten, UL [V]
Figur 2: Diagram för att föra in ström- och spänningsvärdena från tabell 1.
NOTERA! Det kan vara “enklare” för hjärnan att ha UL på y-axeln och IL
på x-axeln. Kolla läroboken!
9
2.3
Karakterisering av citronbatteri
För denna del skall ett citronbatteri först byggas. För detta och följande
mätningar krävs:
• Citron
• Förzinkad spik
• Kopparföremål, till exempel. ett gem eller en provpåsklämma
• Digital multimeter (DMM) i ELVIS-miljön.
• Dekadresistans
• Sladdar
Stoppa i zink- samt kopparföremålen i citronen så att dessa har galvanisk
kontakt med varandra, dvs, sitter i samma klyfta (vad händer om de inte
sitter i samma klyfta?).
Uppgift 16. Mät tomgångsspänningen:
.........................................................................
2.3.1
Uppmätning av effektöverföringskaraktäristik
Bestäm inre resistansen genom att belasta kretsen med den resistans som
ger den största effekten i lasten. För detta mät resulterande spänning för
olika belastningar och för in värden i tabell 2. Lämpliga värden är nu mycket
högre än för batteriet (citronen är inget bra batteri, annars hade vi haft det
i våra mobiltelefoner...) För in dessa mätvärden i figur 3 och bestäm den inre
resistansen utgående från detta (dvs, var är effekttoppen någonstans?)
Uppgift 17. Den inre resistansen för citronbatteriet är:
..........................................................................
Uppgift 18. Vad är den maximala strömmen som går att få ur citronbatteriet?
.........................................................................
10
Uppmätt resistans
Uppmätt spänning
Beräknad ström
Effekt i lasten
Effekt i lasten, PL [W]
Tabell 2: Tabell för mätning av effekt från citronbatteriet.
Lastresistans, R [Ω]
L
Figur 3: Diagram för att föra in resistans- och effektvärdena från tabell 2.
11
2.4
RC-Krets
Av labbassistenten ska du ha fått två komponenter (kondensator och motstånd). Dessa ska kopplas upp som visas i figur 4 på kopplingsplattan. Kondensatorn C är en fyrkantig komponent med två anslutningar längst ned.
Resistansen är en avlång komponent med några färgade band. Det finns ett
flertal möjliga markeringar, varav den enklaste är brun, svart, gul, guld.
OBSERVERA! Kontrollmät alltid före användning att de komponenter
som ska kopplas in har korrekt resistans eller kapacitans. Detta kan göras
genom att använda den digitala multimetern (DMM) på ELVIS-plattan. I
DMM:en kan du välja mellan Ohm (grekiskt Omega) samt C (med en symbol
för kondensatorn). Notera i den lilla bilden i DMM:en hur du ska koppla in
komponenterna. För kondensatorn måste du leta upp hålen för DUT+ och
DUT- som finns på ovansidan av ELVIS. För motståndet ska du koppla in
på sidan.
R
+
+
R = 10 kΩ
uin
C
uut
C = 10 nF
_
_
Figur 4: Uppkoppling för mätuppgift 2.4.1.
Figur 10 visar ett exempel på hur uppkopplingen kan se ut på plattan
(bläddra framåt en bit). Spänningen Uin ligger på den analoga ingången AI
7 och Uut på AI 6. En detaljerad beskrivning av ingående kopplingstrådar
och komponenter följer:
Kopplingstråd (a) jordar den andra vertikala raden av kontakter, (b) lägger ut funktionsgeneratorns spänning på den första vertikala raden, (c) jordar
minusingången på AI 6, (d) kopplar in funktionsgeneratorns spänning på AI
7, (e) jordar minusingången på AI 7 och (f) kopplar in funktionsgeneratorns
spänning på ena anslutningen till motståndet (g). Andra anslutningen på (g)
kopplas dels med (h) till AI 6:s plusingång samt dels till kondensatorn (i):s
ena anslutning. Den andra anslutningen på (i) kopplas till jord med tråd (j).
12
f [Hz] Uin,pp [V ]
200
500
1000
2000
5000
10 000
20 000
50 000
Uut,pp [V ] F = Uut,pp /Uin,pp
Tabell 3: Mätvärden för mätuppgift 4.1 a).
2.4.1
Beteendet med sinusformade spänningar
Lägg på en sinusformad inspänning med t.ex. 10 Vpp (topp-till-topp-värde)
och variera frekvensen. Detta gör du med hjälp av FGEN, signalgeneratorn.
Den hittar du i Instrument launcher på samma sätt som för DMM.
Mät topp-till-topp-värdet på utspänningen uut för de olika frekvenserna
med oscilloskopet (Scope i Instrument Launcher). Ställ in oscilloskopet så att
Channel 0 Setting, Source är AI 7 och Channel 1 Settning, Source
är AI 6, samt Trigger, Type är Edge. Observera att topp-till-topp-värdet
som presenteras i oscilloskopet baseras enbart på den signal som visas på
skärmen. För att få ett korrekt topp-till-topp-värde så måste en hel period
av signalen synas samt för denna period både dess topp- och bottenvärde.
För in mätresultaten i tabell 3. (Återigen så kan det ju vara smidigt att
använda dig av Excel eller libreOffice). Beräkna F = Uut,pp /Uin,pp för de olika
frekvenserna samt skissera F som funktion av f i figur 5. Detta ger kretsens
amplitudkaraktäristik.
Uppgift 19. Vilken typ av filter utgör denna krets?
...........................................................................
Uppgift 20. Bestäm filtrets gränsfrekvens ur den uppmätta amplitudkaraktäristiken. Resultat:
................................................................. .........
13
1
0.9
0.8
F = Uut,pp /Uin,pp
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
2
10
3
10
4
f [Hz]
10
5
10
Figur 5: Amplitudkaraktäristiken för filtret i figur 4.
Uppgift 21. Hur stämmer resultatet med det teoretiskt beräknade värdet i
förberedelseuppgifterna?
..........................................................................
2.4.2
Beteendet med fyrkantspulser
Anslut en symmetrisk fyrkantspänning från funktionsgeneratorn till ingången på kretsen i figur 4. Variera spänningens periodtid och studera utsignalens
utseende för några olika värden på perioden. Skissera insignalens samt motsvarande utsignals utseende i figur 6 för periodtiderna 2 ms, 0.1 ms
respektive 0.025 ms. Använd olika tidsskalor för de tre fallen för att kunna
se de olika effekterna.
Rita in och utsignal med olika skalor om det behövs för att tydligt se
utsignalens utseende. Använd datorn och ta en skärmbild om så önskas.
2.4.3
Sinusspänningar igen, fast tvärtom
Koppla upp kretsen i figur 7 enligt samma sätt som föregående uppgift. I
princip ska du bara byta plats på kondensatorn och motståndet. Det är alltså
14
Figur 6: In- och utspänningar för filtret i figur 4.
fortfarande samma värden, samma komponenter.
Bestäm amplitudkaraktäristiken för denna RC-länk med samma metod
som i 2.4.1. Observera att signalgeneratorn nu skall generera sinusvågor med
olika frekvenser till skillnad från fyrkantsvågor. Fyll i tabellen och skissera F
i figur 8. Använd gärna datorn för detta.
C
+
+
C = 10 nF
uin
R
_
uut
_
Figur 7: Uppkoppling för mätuppgift 2.4.3.
Uppgift 22. Vilken typ av filter utgör denna krets?
15
R = 10 kΩ
f [Hz] Uin,pp [V ]
200
500
1000
2000
5000
10 000
20 000
50 000
Uut,pp [V ] F = Uut,pp /Uin,pp
Tabell 4: Mätvärden för mätuppgift 4.1 c).
...........................................................................
Uppgift 23. Vilken gränsfrekvens har filtret?
...........................................................................
Uppgift 24. Jämför resultatet med det i förberedelseuppgifterna beräknade
värdet.
...........................................................................
2.4.4
Fyrkantspulser igen, fast tvärtom (extrauppgift)
Anslut en symmetrisk fyrkantspänning till kretsen som användes i c) och
skissera (eller ta skärmdump som visar resultaten väl) såväl inspänning som
utspänning för periodtiderna 2 ms, 0.1 ms och 0.02 ms i figur 9. Använd
olika tidsskalor för de tre fallen. Var noga med att få med toppvärdet på
utspänningen.
16
1
0.9
0.8
F = Uut,pp /Uin,pp
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
2
10
3
10
4
f [Hz]
10
Figur 8: Amplitudkaraktäristiken för filtret i figur 7.
Figur 9: In- och utsignaler för filtret i figur 7.
17
5
10
(h)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(i)
(j)
(b)
(a)
Figur 10: Uppkoppling av kretsen i figur 4 på kopplingsplattan.
18
2.5
Bestämning av en spoles induktans och resistans
(extrauppgift)
En spole har ofta icke-försumbara resistiva förluster. Den betraktas därför
ofta som en ideal induktans i serie med en resistans. För att bestämma induktans L och resistans RL för en spole används kopplingen i figur 11, en
serieresonanskrets. Värdet på R och C framgår av den färdiga uppkopplingen
på mätplatta 4.2 som du får från laborationsassistenten.
Spole
C
+
+
L
Platta nr.: . . . . . .
RL
uin
uut
R
_
_
C = .........
R = .........
Figur 11: Krets för mätuppgift 2.5.
Bestäm värdena på L och RL enligt de metoder som beskrivits i förberedelseuppgifterna. Observera ännu en gång att multimeter ej får användas för
att lösa uppgiften.
Uppgift 25. Resultat:
2.6
L = ...............
RL = . . . . . . . . . . . . . . .
Redovisning av laborationen
Visa labassistenten dina resultat: ifyllda svar på uppgifterna, grafer, med mera. Förbered redovisningen genom att renskriva alla uppgiftssvar så att du
enkelt kan hitta dem. Kanske till och med i ett elektroniskt dokument tillsammans med skärmbilder snarare än i labmanualen och snarare än handskrivna
resultat.
19
3
Laboration 2 - Miniprojektet
Mest information om laboration 2, dvs miniprojektet, kommer att ges under
föreläsningar och seminarium och återupprepas inte i detalj här. Ni kommer
få en uppgift per tremannagrupp som ska utföras. I den uppgiftsbeskrivningen
står också detaljerna kring hur dessa ska redovisas. I denna labmanual har vi
stolpat upp momenten lite grann för att förenkla utförandet. Dessa moment
återges i korta ordalag nedan.
3.1
Beräkningar
Av kursledningen har ni fått ett schema med ett antal okända värden på resistanser och kapacitanser. Givet kravspecifikationen som medföljer er uppgift
går det då att räkna ut dessa 2 till 4 olika värden.
Ni ska hemma och under resurslektioner räkna ut dessa värden givet den
teori som ges under föreläsningarna.
3.2
Simuleringar med exakta värden
När värdena väl har bestämts teoretiskt kan ni verifiera att er krets fungerar
någorlunda som tänkt. I simulatorn, som ni bekantat er med i ett av seminarierna (kapitel 4.2), kan ni föra in era värden och kontrollera att kretsen
möter kravspecifikationen. Om ni har utfört era beräkningar korrekt ska så
vara fallet. Ett bra och smidigt sätt att verifiera sina egna beräkningar.
Embryot till dessa simuleringar skapas under ett av seminariena, men ni
kommer kanske behöva avsätta lite tid till att genomföra slutsimuleringerna
under 4h-laborationen. Laborationsassistenten kommer ha kontrollerat att
ni har rimliga (teoretiska) värden innan ni sätter igång så att ni inte spiller
värdefull tid.
3.3
Simuleringar med avrundade värden
När värdena väl har bestämts teoretiskt och verifierats med simulatorn måste ni avrunda dem till närmsta realiserbara värden (se beskrivningen i er
uppgift). Enkelt sagt: ni kanske får ut 43.141592568 µF, men det går bara
att använda 42 µF. Ni måste avrunda era värden till närmsta så kallade tabellvärden och simulera igen. Notera hur mycket kurvorna nu avviker från
tidigare kurvor.
20
3.4
Uppkoppling
När teori och simulering stämmer så brukar ingenjören gå till labbet och
bygga en prototyp. Så ska ni också göra under de cirka tre sista timmarna
av laborationen.
I seminarie och laboration har ni redan bekantat er med ELVIS-plattformen
och det handlar om att koppla upp er krets - som nu består av operationsförstärkare och passiva komponenter - och mäta in och utspänning. Komponentvärdena ska då väljas samma som de avrundade värdena (men notera
att det fortfarande kan finnas variation på grund av begränsad tolerans!).
På samma sätt som ni gjorde för “RC-Krets” i laboration 1 använder ni en
sinusformad inspänning och mäter topp-till-topp-värdena på in- och utgång.
(Det finns andra sätt också, men detta är det mest intuitiva om man inte är
bekant med ELVIS).
Verifiera nu att ni får kurvor som liknar dem ni simulerat med. Notera
avvikelser och annat som eventuellt ser lustiga ut.
3.5
Verifiering
Slutligen, om tiden tillåter, ska vi koppla upp ert aktiva filter till en ljudanläggning och försöka göra en bedömning av kvaliteten hos ert filter.
• Hur ska ljud genom ett lågpassfilter låta?
• Hur ska ljud genom ett högpassfilter låta?
3.6
Rapportering
Slutligen ska du sammanfatta alla resultat och skicka in en rapport till kursledningen. Detta består i princip av att skapa ett dokument som innehåller
följande delar:
• Sammanfattning
• Resultat i kortform (tabell)
• Uppgiftsställningen
• De teoretiska formlerna och resultat
• Simuleringsresultaten med exakta värden
• Simuleringsresultaten med avrundade värden.
21
• Mätresultat (Uut /Uin -kurvan) med uppkopplad krets
• (Eventuellt) Kommentarer om hur ljud låter genom ert filter
• Tydlig sammanfattning: vad lärde vi oss, vad var resultaten och varför.
Information om när rapporten ska skickas in ges på kurshemsidorna.
22
4
Seminarier
I början av kursen, under de tre första veckorna, har vi schemalagt ett antal
seminarier som ska användas för att bekanta sig med labbet och de verktyg
som ska användas. Dessa tillfällen är inte obligatoriska, men det rekommenderas starkt att vara med för att förenkla för sig själv senare.
De tre seminarierna beskrivs nedan.
23
4.1
Introduktion till labbet
Under det första seminarietillfället träffas vi i labbet TRANSISTORN i Bhuset. Assistenten kommer att visa er mjukvaruverktyg och hårdvara och
annat för att ni ska komma igång med nomenklaturen och för att kunna
orientera er under kommande tillfällen.
Seminarierna kommer vara en form av föreläsningar, fast med praktiska
inslag och moment som ni ska lösa.
Läs igenom kapitel 5 tills tillfället. Svara på följande frågor:
• Hur startar jag ELVIS-II+ plattan?
• Hur startar jag den mjukvara som behövs till ELVIS-II+ plattan?
Skumma även igenom följande kapitel i läroboken:
• Kapitel 3.2.1-3.2.6 (motstånd)
• Kapitel 3.3.1 och 3.3.4 (kondensatorer)
• Kapitel 5 (oscilloscop)
och svara på följande frågor:
• Hur ser jag på ett motstånd hur många Ohm det är?
• Hur ser jag på en kondensator hur många Farad det är?
• Vad innebär begreppen trigger och probe i ett oscilloscop?
Övrig information ges under seminarietillfället. Om tid finns över rekommenderas studenten att också börja titta på seminarum 2 (kapitel 4.2) då
dessa kan också utföras i TRANSISTORN.
24
4.2
Introduktion till miniprojektet - MultiSim
I ett av seminarierna ska vi simulera på elektriska kretsar för att vidare känna
på simuleringsverktygen. Laborationen/seminariet går i princip ut på att göra
en tutorial som finns tillgänglig från program- och hårdvarutillverkarens sida.
Mjukvaran hittas lätt under Startmenyn, Program, National Instruments,
Design Suite.
Programvaran kan också laddas ner till er egen dator under studentlicens
så att ni kan arbeta även hemma.
Nedan listar vi två moment som ska utföras under seminariet. Planera
tiden väl och kom förberedd. Titta gärna på videosnuttarna givna i texten
nedan.
4.2.1
Första momentet - tutorial
Öppna “Getting Started” [PDF] från Help-menyn och följ helt enkelt stegen
genom den. Dokumentet heter “NI Circuit Design Suite, Getting started NI
Circuit Design Suite”. Notera att det flyter runt lite olika revisioner av dokumentet här och var om du skulle googla efter det och köra det hemma. En
tillräckligt ny version finns här:
• http://www.ni.com/pdf/manuals/374482d.pdf
Gå igenom kapitel 1 och 2 av manualen/tutorialen. Mer information kan
du också få här:
• http://www.youtube.com/watch?v=tgCPDBtRcso
• http://www.youtube.com/watch?v=pg4DI5s8FNo
• http://www.youtube.com/watch?v=QVR86gaLhUc
• http://www.youtube.com/watch?v=vZA47ojNOLs
Några av kanalerna visa fler filmer om hur man kan använda programvaran.
Under seminariet ska du genomföra tutorialen. Kolla så att du har förstått
följande:
• Visa att du har matat in schemat enligt instruktionerna
• Visa att du kan köra simuleringen: 7-segmentet ska toggla om du trycker på de olika switcharna, operationsförstärkarens ingång/utgång ska
synas i oscilloscopet/”grapher”.
• Visa att du förstår hur man kör en så kallad AC-analys.
25
4.2.2
Andra momentet - börja simulera er projektuppgift
I miniprojektet ska ni simulera ett filter (högpass eller lågpass) och även
senare koppla upp den i hårdvarulabbet. Ett par mallfiler, dvs scheman för
simulering av kretsar som liknar de som ni kommer använda i projektet,
finns tillgängliga för nedladdning från kurshemsidorna. Be labbassistenten
att hjälpa er.
Er uppgift idag är att mata in ert schema i datorn och spara undan den
för framtida arbete. Ni ska med denna fil kunna verifiera att ni har räknat
ut rätt komponentvärden och på så sätt vara väl förberedda för att koppla
upp systemet i “verkligheten”.
26
4.3
Introduktion till hemuppgifterna - MATLAB
I kursen ska ni lämna in två hemuppgifter samt även miniprojektuppgiften.
I de första två hemuppgifterna ska ni förenkla och beräkna t.ex. ström och
effekt och anpassning för olika typer av nät. För detta ändamål är MATLAB
ett kraftfullt verktyg, men egentligen inte nödvändigt som sådant. Det finns
gott om “fria” verktyg såsom octave eller paket skrivna i python som kan
vara användbara för ändamålet.
Nedan listar vi två moment: nodanalys med lik- och växelström, samt
beräkningar på inlämningsuppgift. Planera er tid väl under era två timmar.
Ta till er av den information om MATLAB som ni fått från den kurs som
löper parallellt på IDA.
4.3.1
Första momentet - Nodanalys likström/växelström
Vi börjar med ett lite enklare exempel: Beräkna strömmen I för kretsen i
figur 12 genom att använda nodanalys. Använd det material som kursledningen har skickat ut vad gäller de här typerna av problemställningar.
Figur 12: E = 10V, R1 = 10Ω, R2 = 5Ω, R3 = 10Ω, R4 = 10Ω, R5 = 5Ω och
R6 = 10Ω.
Exempel nummer två består av att beräkna strömmen i(t) för kretsen
i figur 13 genom att använda nodanalys. Använd det material som kursledningen har skickat ut vad gäller de här typerna av problemställningar. Notera
att när vi väl applicerat jω-metoden så är det i princip samma lösningsväg
som för likström. Smidigt!
27
Figur 13: v(t) = sin(2πt) V, R1 = 1Ω, R2 = 1Ω, C1 = 0.7654 F, C2 =
1.8478 F, L1 = 1.8478 H, och L2 = 0.7654 H.
4.3.2
Andra momentet - Exempel på inlämningsuppgift
Under seminariets andra halva kommer assistenten att gå igenom ett exempel
på tavlan och förse er med ett skal till MATLAB-kod som ni kan laborera
med på en uppgift väldigt lik era inlämningsuppgifter.
Antingen laborerar ni vidare på er egen uppgift (tänk på solidariteten
när ni är två, tre stycken vid varje dator), eller på den exempelkrets som
distribueras under seminariet. Mer detaljer ges inte i detta lab-PM utan ges
istället under seminarietillfället.
28
5
Labutrustning
5.1
Introduktion
I denna laboration kommer du att studera likströmskretsar. Den utrustning
som vi använder oss av i laborationen är en miljö för prototyp-utveckling,
som går under namnet ELVIS II. Denna utrustning kommunicerar med en
värddator via USB, se figur 14. I värddatorn finns programvara som ger dig
tillgång till flertalet vanliga instrument, som exempelvis multimeter och variabel spänningskälla. Där finns också mer specialiserade instrument, som t.ex.
gör det möjligt att mäta upp transistorkurvor, eller mäta upp frekvenssvaret
för ett filter eller en förstärkare.
Figur 14: Typisk uppkoppling av NI ELVIS II enligt användarhandledningen [1, figur 2-1]. I vår labmiljö har vi en stationär dator istället.
ELVIS II innehåller en allmän kopplingsyta där du kommer att göra upp29
Figur 15: NI ELVIS II enligt användarhandledningen [1, figur 2-2].
kopplingar i denna laboration, se figur 15 och 16. Därtill innehåller ELVIS ett
flertal anslutningar som är kopplade till de instrument som finns tillgängliga
på värddatorn.
30
Figur 16: Prototypkortet enligt användarhandledningen [1, figur 2-5].
31
5.2
Starta NI ELVISmx Instrument Launcher
På värddatorn finns programmet NI ELVISmx Instrument Launcher. Via
det programmet får du tillgång till olika instrument. Slå på hårdvaran med
på/av-knappen längst till höger på baksidan av NI ELVIS. Då dyker det upp
en pratbubbla längst ner till höger på skärmen med följande text.
NI ELVIS II+ detected! Click here to use this device.
Klicka då där. Då dyker det upp en dialogruta, där du bör välja följande
alternativ.
NI ELVISmx Instrument Launcher
Alternativt går det att starta programmet via start-menyn:
Start/All Programs/National Instruments
/NI ELVISmx for NI ELVIS & NI myDAQ/NI ELVISmx Instrument
Launcher
Du bör då få upp ett litet fönster som ser ut som i figur 17.
Figur 17: Programmet NI ELVISmx Instrument Launcher på värddatorn.
Där finns tolv knappar som startar olika instrument enligt nedan.
DMM – Digital MultiMeter. Vanlig multimeter som kan mäta spänning,
ström, resistans, kapacitans, induktans och framspänningsfall för en
diod. Därtill kan den användas för att kontrollera huruvida två punkter
är sammankopplade.
Scope – Oscilloscope. Ett två-kanals oscilloskop.
FGEN – Function Generator. En signalgenerator som kan generera sinusvåg, triangulärvåg och fyrkantvåg, med frekvens mellan 200 mHz och
5 MHz. Kan också svepa över ett frekvensintervall.
VPS – Variable Power Supplies. Två spänningsaggregat som kan ge en positiv och en negativ matningsspänning, upp till 12 V.
32
Bode – Bode Analyzer. Denna kombinerar oscilloskopet och signalgeneratorns svepfunktion så att den plottar amplitudkarakteristiken för exempelvis ett filter.
DSA – Dynamic Signal Analyzer. Mer avancerat analysverktyg. Vi kommer
inte att använda det i denna laboration.
ARB – Arbitrary Waveform Generator. Kan generera godtyckliga signaler
som man tillhandahåller i en fil. Vi kommer inte att använda det i
denna laboration.
DigIn – Digital Reader. Indikation av digitala insignaler från I/O-anslutningar.
Vi kommer inte att använda det i denna laboration.
DigOut – Digital Writer. Styrning av digitala utsignaler till I/O-anslutningar.
Vi kommer inte att använda det i denna laboration.
Imped – Impedance Analyzer. Mätning av impedans för olika frekvenser.
Redovisas som en punkt i ett komplext talplan. Vi kommer inte att
använda det i denna laboration.
2-Wire – Two-Wire Current-Voltage Analyzer. Mätinstrument som ger strömspännings-samband i form av en graf för en godtycklig komponent med
två anslutningar, exempelvis en diod. Vi kommer inte att använda det
i denna laboration.
3-Wire – Three-Wire Current-Voltage Analyzer. Mätinstrument som ger
ström-spännings-samband i form av en graf för en godtycklig komponent med tre anslutningar, där den tredje anslutningen är en styrström.
Typanvändningen för detta mätinstrument är att bestämma grafer för
sambandet mellan kollektorström och kollektor-emitter-spänning för en
bipolartransistor för olika basströmmar.
För att utrustningen ska fungera helt och fullt måste du dessutom slå
på resten av hårdvaran med på/av-knappen på ovansidan till höger på NI
ELVIS.
33
5.3
Kopplingsplattan och anslutningar till instrumenten
Mitt på prototypkortet finns en allmän kopplingsyta med hundratals anslutningshål där komponenter och kopplingssladdar kan tryckas ned. Dessa hål
är anslutna till varandra gruppvis enligt figur 18.
Till vänster om denna allmänna kopplingsyta finns anslutningar till de
instrument vi kommer att använda och till BNC-anslutningar och banananslutningar på vänstra kanten av ELVIS. Dessa är numrerade från 1 till 27
och från 28 till 54, och är kortfattat förklarade på prototypkortet. Figur 19
visar anslutningarna 1–27.
En sammanfattning av anslutningarna följer här:
1–16 – A0–A7. Åtta stycken analoga ingångar, parvis.
17 – AISENSE. För känsliga mätningar. Vi kommer inte att använda denna.
18 – AIGND. Referenspotetial (jord) för analoga mätningar.
19–26 – PFI0–PFI11. Speciella I/O-anslutningar. Vi kommer inte att använda dessa.
27 – Oanvänd.
28–30 – Anslutningar till multimetern (vissa mätningar) och impedansanalysatorn.
31–32 – A0–A1. Två analoga utgångar relativt AIGND. Vi kommer inte att
använda dem.
33–36 – Anslutningar till signalgeneratorn.
37 – Oanvänd.
38–47 – Kopplade till anslutningar till vänster på prototypkortet, Banana
A–D, BNC 1 & 2 samt skruvanslutningar.
48–50 – Anslutningar till variabelt spänningsaggregat.
51-54 – Fasta matningsspänningar, +15 V, –15 V, jord och +5 V.
34
5.4
Användning av DMM
Välj DMM i menyn som visas i figur 17 för att starta multimetern.
För att mäta resistans i motstånd klicka på knappen märkt med Ω i
multimeterfönstret. Koppla in motståndet kopplade via kablar med banankontakter till ingångarna COM och Ω på multimetern markerade med siffran
3 i figur 15.
För att mäta likspänning tryck på knappen märkt V i DMM-fönstret och
anslut kablarna på samma sätt som för resistansmätning.
För att mäta likström tryck på A i DMM-fönstret och anslut kablarna
till ingångarna COM och A på multimetern markerade med siffran 3 i figur 15.
Mätningen startas genom att trycka på play-knappen i DMM-fönstret och
avslutas med att trycka på stopp-knappen.
5.5
Övrig utrustning
Likspänningsaggregatet:
• Utgångarna med jord-märkning utgör skyddsjord och behöver ej inkopplas. Spänningen tas ut mellan de båda utgångarna. (Röd: +, svart
−)
• De båda spänningskällorna kan seriekopplas genom att − utgången på
den ena källan ansluts till + utgången på den andra. På detta sätt kan
t.ex. ±12 V erhållas.
Potentiometer (LABPOT TYP H10S):
• Koppla in potentiometern med den högra anslutningen.
• Den fingraderade skalan är 10 Ω/enhet den grova 1 kΩ/enhet.
Dekadresistansen (svart):
Dekadresistansen fungerar så att den totala resistansen bestäms av ett antal
rattar, ×1Ω till ×10kΩ, så att den totala resistansen blir summan av alla
delresistanser. Ingången märkt med jordsymbol behöver ej användas i denna
laboration (skyddsjord för höga spänningar).
35
Figur 18: Kopplingsplattan med indikation om hur hålen är kopplade.
36
Figur 19: Anslutningar nummer 1–27 till instrument enligt användarhandledningen [1, figur A-2].
37
Referenser
[1] National Instruments Corporation. NI Educational Laboratory Virtual
Instrumentation Suite II Series (NI ELVISTM II Series) User Manual,
Juni 2011. http://www.ni.com/pdf/manuals/374629c.pdf.
38