Politechnika Częstochowska

Wydział Elektryczny

Laboratorium Elektroniki

Wyznaczanie charakterystyk elementów i układów elektronicznych

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest poznanie metod pomiarowych i procedur stosowanych do wyznaczania charakterystyk elementów i układów elektronicznych i wizualizacji zjawisk w nich zachodzących, z wykorzystaniem karty pomiarowej PCL 818L produkcji Advantech Corporation, współpracującej z komputerem typu PC.

2. Budowa stanowiska pomiarowego.

Stanowisko pomiarowe umożliwia dokonywanie pomiarów charakterystyk przejściowych (napięciowo-napięciowych), charakterystyk prądowo-napięciowych elementów elektronicznych (np. diod półprzewodnikowych) oraz charakterystyk częstotliwościowych bez udziału dodatkowych elementów pomocniczych (z wyłączeniem obwodu pomiarowego, np. badanego wzmacniacza napięciowego). Ponadto zawiera dostępne źródła zasilania obwodów pomiarowych. Połączenie z obwodem badanym winno być dokonywane za pomocą standardowych przewodów z wtykiem typu bananowego.

Poszczególne bloki funkcjonalne.

Układ do pomiaru charakterystyki przejściowej (napięciowo-napięciowej).

Jest on najprostszym układem, zawiera bowiem jedynie podukład zmiany polaryzacji napięcia wejściowego. Jest on konieczny celem umożliwienia dokonywania pomiarów charakterystyk bipolarnych, ponieważ przetwornik C/A karty dostarcza jedynie napięć dodatnich w stosunku do masy.

Rys. 1 Układ zmiany polaryzacji.

Składa się on z przekaźnika sterowanego poprzez tranzystor z wyjścia cyfrowego karty (bit 0), zamieniającego dołączenie wyjścia przetwornika C/A do badanego układu. Wyeliminowanie drgań zestyków zostało zrealizowane w sposób programowy, poprzez odczekanie pewnego odcinka czasu (200 milisekund) po zmianie nastawy przekaźnika, a przed dokonaniem pomiaru.

Układ ten jest wykorzystywany także (w analogiczny sposób) w pomiarze bipolarnej charakterystyki napięciowo-prądowej.

Napięcie wejściowe przetwornika A/C może przyjmować wartości zarówno dodatnie, jak i ujemne. Ponieważ konieczne jest tu oddzielenie masy od wejścia L (niskiego poziomu) przetwornika, karta musi być skonfigurowana do pracy z 8 wejściami różnicowymi.

Układ do pomiaru charakterystyki napięciowo-prądowej.

W celu wyznaczenia charakterystyki napięciowo-prądowej konieczne jest określenie, prócz wartości napięcia panującego na danym elemencie, także wartości przepływającego przezeń prądu. W niniejszej pracy rozwiązano to za pomocą najprostszego przetwornika prąd-napięcie w postaci rezystora włączonego szeregowo z badanym elementem. Na oba te elementy podawane jest napięcie wyjściowe przetwornika cyfrowo-analogowego.

Wartość rezystancji wynosi 1 kΩ, z następujących względów:

• Zapewnia to bezpośrednie przeliczenie wyników z [V] na [mA]

• Ogranicza prąd wyjściowy przetwornika C/A do wartości 5 mA, tzn. maksymalnego dopuszczalnego prądu wyjściowego, w przypadku niskiej rezystancji elementu badanego lub jego zwarcia. Spełnia on zatem rolę zabezpieczenia.

Rys. 2 Układ przetwornika U/I

W procesie wyznaczania charakterystyki zmieniane jest podawane na układ napięcie, zaś do wyznaczenia charakterystyki używane są wartości napięć odłożonych na rezystorze i elemencie badanym. To rozwiązanie jest proste i efektywne, ma jednak także mankamenty:

• Zakres pomiarowy nie jest stały i zależy od elementu badanego (od wartości występującego na nim spadku napięcia, co wynika z samej zasady pomiaru). Wyznaczona charakterystyka leży zatem zawsze poniżej prostej obciążenia (odwrócona charakterystyka rezystora 1 kΩ).

• Niewielki zakres pomiarowy.

Wady te można zniwelować poprzez zastosowanie układów oddzielających i przetwarzających, opartych np. na wzmacniaczach operacyjnych. Działania takie nie wymagają żadnych zmian w programie komputerowym.

Układ prostownika szczytowego.

Celem wyznaczenia charakterystyki częstotliwościowej badanego układu w zakresie 2 Hz - 20 kHz konieczne jest wykorzystanie prostownika pomiarowego, gdyż nie jest możliwa praca przetwornika A/C wyzwalanego w sposób programowy oraz z programowym transferem danych (bez wykorzystania przerwań lub bezpośredniego dostępu do pamięci) z częstotliwością 200 kHz. Z taką częstotliwością pracuje jedynie przetwornik C/A, dostarczając próbek napięcia o zadanej częstotliwości, zmieniającej się w trakcie pomiaru, o czasie trwania 0,5 sekundy. Wartość napięcia na wyjściu prostownika jest mierzona i wykorzystywana do wyznaczenia charakterystyki, a następnie prostownik jest kasowany, w celu umożliwienia rejestracji odpowiedzi układu na kolejną próbkę napięciową.

Rys. 3 Układ prostownika.

Jako układ prostownika wykorzystano powszechnie znany prostownik szczytowy jednopołówkowy z podwajaczem napięcia, uzupełniony o tranzystorowy układ kasujący. Tranzystor powoduje szybkie rozładowanie kondensatora. Ponieważ jest załączany tylko na krótki czas (150 ms) w ciągu kilku sekund, może pracować bez radiatora. Dodatkowym zabezpieczeniem może być rezystor włączany szeregowo z kondensatorem w obwód kolektora o wartości rzędu 1Ω lub mniej.

Dodatkowo w układzie stanowiska pomiarowego zawarto kilka elementów przeznaczonych do badania (dioda, tranzystor, elementy RC) oraz układ regulacji prądu bazy badanego tranzystora (2 potencjometry oraz rezystor zabezpieczający), a także gniazda zasilania (pobieranego z komputera) 5 i 12 V napięcia stałego.

3. Idee metod pomiarowych.

Charakterystyka napięciowo-prądowa.

Klasyczne metody pomiaru.

Charakterystyki statyczne niosą za sobą podstawowe informacje o zachowaniu się i właściwościach elektrycznych elementów półprzewodnikowych. Charakterystyką napięciowo-prądową nazywamy graficzne zobrazowanie zależności I=f(U) dla danego elementu.

Znając kształt charakterystyki prądowo-napięciowej danego elementu (np. tranzystora) można w sposób pośredni określić inne jego parametry. Na rysunku zobrazowano wyznaczanie parametrów macierzowych h tranzystora na podstawie jego charakterystyk statycznych w układzie WE.

Rys. 4 Wyznaczanie rezystancji dynamicznej diody.

Rys. 5 Wyznaczanie parametrów macierzowych tranzystora.

W celu wyznaczenia kształtu tej charakterystyki stosuje się różne metody pomiarowe. Najbardziej znane metody można podzielić na dwie grupy:

• Pomiary statyczne „punkt po punkcie”, polegające na kolejnym podawaniu na element mierzony określonej wartości napięcia i pomiarze prądu, a następnie wyznaczeniu charakterystyki na podstawie tych punktów.

• Pomiary dynamiczne (impulsowe), wykorzystujące oscyloskop lub charakterograf, pozwalające na natychmiastowe zobrazowanie kształtu charakterystyki.

Pierwszą z nich można stosować do wyznaczania charakterystyk aż do wartości napięć (prądów), dla których istotne stają się zjawiska cieplne zachodzące w danym elemencie. Przy pomiarach krótkotrwałych (impulsowych) można otrzymywać charakterystyki także i powyżej wartości tychże napięć.

Istotną zaletą metody statycznej jest duża dokładność przeprowadzanych pomiarów (ograniczona praktycznie jedynie dokładnością użytych przyrządów pomiarowych), natomiast istotna wadą jest fakt, że dla dokładnego odzwierciedlenia kształtu charakterystyki potrzeba wielu pomiarów, co czyni cały proces czasochłonnym. Długotrwały pomiar może zaś prowadzić do zafałszowania wyników ze względu na nagrzewanie się badanego elementu.

Ponadto dla otrzymania wykresu charakterystyki konieczne jest przetworzenie uzyskanych danych, często z użyciem różnego rodzaju aproksymacji lub interpolacji (zwłaszcza przy niewielkiej liczbie danych). Najczęściej więc wykorzystywane są do tego celu wyspecjalizowane programy komputerowe, zorientowane na graficzne zobrazowanie zgromadzonych danych (np. Grapher czy Statistica).

Warto ponadto pamiętać o zastosowaniu właściwych układów pomiarowych w zależności od badanej charakterystyki (np. układ poprawnie mierzonego napięcia do wyznaczenia charakterystyki w kierunku przewodzenia, zaś poprawnie mierzonego prądu - w kierunku zaporowym).

Poniżej zobrazowano typowe układy pomiarowe używane do wyznaczania charakterystyk metodą statyczną.

Rys. 6 Wyznaczanie charakterystyki prądowo-napięciowej diody: a) w kierunku przewodzenia, b) w kierunku zaporowym

Rys. 7 Wyznaczanie charakterystyk tranzystorów metodą statyczną: a) bipolarnego, b) unipolarnego

Metoda oscyloskopowa umożliwia zaś szybkie otrzymanie charakterystyki, co eliminuje szkodliwy wpływ długotrwałego pomiaru na badany obiekt (np. wzrost temperatury). Pozwala to także szybko ocenić sprawność danego elementu i jego przydatność do konkretnych zastosowań a także łatwo ocenić wpływ innych parametrów (nie tylko elektrycznych) na kształt charakterystyki elementu. Doceniane jest także to, że metoda ta pozwala uzyskać pewność co do kształtu całej charakterystyki, nie zaś tylko punktów pomiarowych. „Metoda ta jest również użyteczna do badania małych nieregularności charakterystyk I=f(U), które mogą być niezauważalne w metodzie „punkt po punkcie”, jeśli punkty pomiarowe są wybierane rzadko.

Rys. 8 Zdejmowanie charakterystyki Ic=f(Uc) metodą oscyloskopową

Rys. 9 Zdejmowanie charakterystyki diody metodą oscyloskopową: a) w kierunku zaporowym, b) w kierunku przewodzenia

Kształt charakterystyki może być zarejestrowany wprost na trwałym nośniku (za pomocą rejestratora) lub też np. sfotografowany z ekranu oscyloskopu. Istotną wadą tej metody jest jednak możliwość ustalenia parametrów poszczególnych punktów charakterystyki jedynie w sposób pośredni. Prócz tego układ pomiarowy jest zwykle bardziej złożony, występują w nim dodatkowe elementy (np. transformator), co wpływa na pogorszenie dokładności pomiaru.

Metoda oscyloskopowa daje również dodatkowe możliwości. Stosując w układzie zamiast układu polaryzacji bazy generator drgań schodkowych, na ekranie oscyloskopu otrzymamy rodzinę charakterystyk tranzystora I_c=f(U_CE), przy I_B jako parametrze. Istotne jest jedynie odpowiednie dobranie częstotliwości tych drgań. Częstotliwość generatora drgań schodkowych powinna być większa od tej częstotliwości granicznej, przy której oko ludzkie zaczyna reagować na migotanie (16Hz), a mniejsza od tej częstotliwości, przy której uwidacznia się wpływ szkodliwych pojemności, powodujących, że obserwowane charakterystyki mają kształt pętli. Generator drgań schodkowych ma przeważnie częstotliwość 50 - 300 Hz. Przy maksymalnie stosowanej liczbie charakterystyk w rodzinie (n=10) częstotliwość drgań piłokształtnych wnosi 500 - 3000 Hz. Przy tak małej częstotliwości można pominąć wpływ pojemności szkodliwych..

Rys. 10 Wyznaczanie rodziny charakterystyk tranzystora metodą oscyloskopową

Zastosowana metoda pomiarowa.

W niniejszym opracowaniu zastosowano odmienną metodę pomiarową, łączącą zalety obu metod i pozbawioną większości ich wad. Pomiar dokonywany jest metodą „punkt po punkcie”, jednakże posiada cechy, którymi góruje nad klasyczną metodą tego typu:

• Na cykl pomiaru składa się 4096 punktów pomiarowych (8192 dla charakterystyki bipolarnej).

• Cały cykl pomiaru odbywa się szybko, nie dopuszczając do nagrzewania się elementu.

• W wyniku otrzymywany jest kształt charakterystyki (podobnie jak w metodzie oscyloskopowej), pozwalając na szybkie, orientacyjne pomiary lub badanie wpływu czynników zewnętrznych, takich jak np. temperatura.

• Wyniki pomiarów mogą być zapisane jako dane dla programów obróbki i graficznego zobrazowania danych

• Można określić parametry każdego punktu charakterystyki

Program komputerowy podaje na wyjście przetwornika C/A kolejne wartości próbek napięcia, po czym pobiera z przetwornika A/C wartość cyfrową, proporcjonalną do sygnału wyjściowego (prądu) oraz wartość napięcia panującego na elemencie badanym (wykorzystane 2 kanały przetwornika). Przetwarzanie A/C jest powtarzane kilkukrotnie, po czym obliczana jest wartość średnia w celu wyeliminowania przypadkowych zakłóceń. Wyniki zostają zapisane w pamięci komputera, zaś po ukończeniu pomiaru wykorzystane do wykreślenia charakterystyki lub zapisane na dysku do dalszego wykorzystania i obróbki. Nie jest możliwe bezpośrednie dokonywanie pomiaru rodziny charakterystyk, jednakże z uwagi na krótki czas trwania pomiaru wyznaczenie jej dla wszystkich parametrów nie jest kłopotliwe. Zaletą jest tu możliwość dokładnej kontroli tych parametrów (np. prądu bazy tranzystora za pomocą mikroamperomierza przy pomiarze rodziny charakterystyk wyjściowych tranzystora), co nie jest możliwe w przypadku przebiegu schodkowego w metodzie oscyloskopowej.

Z uwagi na niewielkie zmiany napięcia pomiędzy poszczególnymi próbkami napięcia proces pomiaru ma charakter quasistatyczny, co eliminuje w praktyce szkodliwy wpływ pojemności i indukcyjności układu (odpowiada to w przybliżeniu pobudzaniu układu napięciem o częstotliwości pojedynczych herców).

Wygląd i obsługa programu.

Ilustracja 1 Wygląd programu "Charakterystyka napięciowo-prądowa"

Okno programu zawiera grupę przycisków (po prawej stronie okna), za pomocą których dostępne są wszystkie funkcje programu: pomiar, zapis wyników do pliku w formacie ASCII, rysowanie wykresu charakterystyki na podstawie pomiaru (w osobnym oknie) oraz informacje o programie. Funkcje zapisu i rysowania wykresu są niedostępne przed dokonaniem pierwszego pomiaru. Próba skorzystania z nich w takiej sytuacji powoduje wyświetlenie odpowiedniego komunikatu. \

Trzy elementy spełniają rolę konfiguracyjną- ustalają parametry pracy programu. Za pomocą grupy przełączników „Charakterystyka” możliwe jest wybranie rodzaju mierzonej charakterystyki. Charakterystyka unipolarna to pomiar przy napięciu zadawanym w granicach od 0 do 5V (możliwe także 10V przy alternatywnym skonfigurowaniu karty i dostosowaniu rezystora zabezpieczającego), natomiast charakterystyka unipolarna polega na badaniu układu przy napięciu zadawanym od -5V do +5V (-10V do +10V). Druga grupa przełączników („Zakres”) pozwala na wybór właściwego zakresu pomiarowego, jednakże należy podkreślić konieczność właściwej konfiguracji karty i układu. Ustawienie tej opcji zapewnia jedynie poprawną interpretację danych pomiarowych.

Za pomocą suwaka w prawym dolnym rogu okna ekranu możliwe jest ustawienie liczby cykli konwersji A/C przypadającej na każdy punkt pomiarowy. Przy ustawieniu niewielkiej liczby pomiar trwa krócej, przy większej dłużej, lecz za to jest bardziej dokładny. Czas trwania całego pomiaru trwa od kilku do kilkudziesięciu sekund, przy czym przy pomiarze charakterystyki bipolarnej zwiększa się dodatkowo o czas potrzebny do zaniku drgań zestyków po zmianie pozycji przekaźnika (0,4 sekundy).

Przełącznik usytuowany w lewym górnym rogu okna aplikacji pozwala na ustawienie właściwego adresu bazowego karty, pod którym jest ona „widziana” w przestrzeni adresowej wejścia/ wyjścia komputera PC (zależy od ustawienia przełącznika SW1 karty). Adres ten podczas uruchamiania programu jest ustawiany automatycznie (zob. dalej), ale możliwa jest jego zmiana przez użytkownika. Ustawienie niewłaściwego adresu nie powinno prowadzić do zawieszenia się programu. Program został wyposażony w procedurę testującą obecność karty (na podstawie charakterystycznych bitów rejestru STATUS karty), jednakże może ona nie zawsze działać poprawnie, zwłaszcza przy obecności w systemie innych kart (np. sieciowych).

Pozostałe elementy spełniają rolę informacyjną (zakończenie pomiaru, zapisanie danych, zaawansowanie procesu).

Procedura pomiarowa.

Jest ona uruchamiana po naciśnięciu klawisza „Pomiar”. Podaje ona kolejno na wyjście C/A karty kolejne dane i rejestruje odpowiedź układu.

Rysowanie wykresu

Wykres rysowany jest (o ile w pamięci znajdują się dane pomiarowe) po naciśnięciu klawisza „Wykres”. Ma on postać skalowalnego okna z zaznaczonymi osiami współrzędnych, kreskowanymi co 0,5 V (0,5 mA na osi prądowej)- dotyczy zakresu 5V. Jest on regenerowany automatycznie po przeskalowaniu okna. Umożliwia to dokładne zapoznanie się z charakterystyką, aczkolwiek dokładność odwzorowania wykresu zależy od stosowanej rozdzielczości.

Ilustracja 2 Okno wykresu.

Charakterystyka częstotliwościowa.

Klasyczne metody pomiarowe.

W celu wyznaczenia amplitudowej charakterystyki częstotliwościowej najczęściej stosowana jest metoda „punkt po punkcie”, polegająca na podawaniu na wejście badanego układu napięcia sinusoidalnego o określonej częstotliwości z generatora i pomiarze woltomierzem napięcia przemiennego (przystosowanym do pomiaru napięć w szerokim zakresie częstotliwości) na wejściu i wyjściu układu. Zaletą tej metody jest to, że za pomocą dodatkowych przyrządów można mierzyć także przesunięcie fazowe pomiędzy sygnałem wejściowym, a wyjściowym w celu wyznaczenia także charakterystyki fazowej. Niestety jest ona czasochłonna i nie może być w praktyce stosowana w celu kontroli jakości gotowego wyrobu (jak np. wzmacniacz mocy) lub też do szybkiego określenia wpływu pewnych parametrów układu na kształt amplitudowej charakterystyki częstotliwościowej.

Rys. 11 Wyznaczanie charakterystyki częstotliwościowej metodą klasyczną.

Ponadto dla uzyskania wykresu w skali logarytmicznej konieczne jest użycie papieru logarytmicznego lub też opracowywanie wyników za pomocą komputera, co pociąga za sobą konieczność wprowadzania danych za pomocą klawiatury.

Alternatywną metodą pomiarową jest metoda wobuloskopowa. W metodzie tej otrzymuje się bezpośrednio na ekranie oscyloskopu obraz charakterystyki częstotliwościowej (podobnie jak w metodzie oscyloskopowej wyznaczania charakterystyki przejściowej). Ma to bardzo istotne znaczenie w procesie strojenia obwodów rezonansowych (typowo: odbiorniki radiowe i telewizyjne), bowiem można praktycznie na bieżąco obserwować wpływ dokonywanych zmian na kształt charakterystyki.

Istotnym mankamentem jest jednak wysoki koszt samego wobuloskopu. Rejestracja uzyskanego wykresu nie jest też zazwyczaj prosta (w przypadku klasycznego wobuloskopu pozostaje fotografowanie ekranu, wobuloskopy rejestrujące są odpowiednio droższe) a dalsza analiza otrzymanych danych (np. programem do obróbki danych)- w praktyce niemożliwa.

Zastosowana metoda pomiarowa.

Metoda zastosowana w programie „Charakterystyka częstotliwościowa” nie jest niestety panaceum na wszelkie wady metod klasycznych. Wskutek wolnej szyny ISA oraz ośmiobitowej zewnętrznie architektury karty (dane 16-bitowe muszą być multipleksowane, co znacznie spowolnia pracę) maksymalna częstotliwość 8-bitowego synchronicznego (sterowanego za pomocą timera wewnętrznego karty) przetwarzania C/A wynosi około 200-300 kHz, zaś przetwarzania C/A znacznie mniej (w praktyce rzędu 20-25 kHz przy wyzwalaniu programowym i takim też transferze danych). Powoduje to, że maksymalne pasmo testowane przez program może zawierać się w granicach 1 Hz do 1 kHz przy przetwarzaniu A/C ciągłym i programowym wyliczeniu amplitudy napięcia wyjściowego (12 bitów na próbkę C/A i min. 10 próbek na okres) oraz 2 Hz do 20 kHz przy korzystaniu z prostownika pomiarowego (8 bitów na próbkę, min. 10 próbek na okres).

Wynika z tego, że program w wersji 2Hz- 20 kHz może świetnie spełniać swoją rolę w zakresie częstotliwości akustycznych, co predestynuje go to takich zastosowań jak badanie pasma przenoszenia wzmacniaczy, korektorów graficznych, filtrów przydźwięku sieci i tym podobnych.

Metoda pomiarowa stosowana w programie „Charakterystyka częstotliwościowa 1k” polega na tym, iż na wejście układu podawane jest 10000 próbek o czasie trwania 1 sek. (tzn. 0,1 ms na próbkę). Próbki te odwzorowują kształt fali sinusoidalnej o zadanej częstotliwości. Podczas pomiaru rejestrowana jest odpowiedź układu i zapisywana do pamięci (analogicznie 10000 próbek). Na podstawie tych próbek wyliczana jest wartość szczytowa napięcia wyjściowego (po odrzuceniu zakłóceń i uśrednieniu) i zachowywana w pamięci jako odpowiadająca danej częstotliwości. Następnie na podstawie kilkudziesięciu pomiarów rysowany jest wykres charakterystyki lub następuje zapis do pliku częstotliwości i odpowiadających im napięć wyjściowych. Ponieważ amplituda napięcia podawanego na wejście układu jest stała, dane te odzwierciedlają przebieg charakterystyki amplitudowej układu.

Program „Charakterystyka 20k” różni się o tyle, że czas trwania pojedynczej próbki został skrócony do 5μs, a ich liczba zwiększona do 100000. Daje to czas pomiaru równy 0,5s, minimalną częstotliwość (1 okres) 2 Hz, zaś maksymalną 20 kHz (10 próbek na okres). Konwersja A/C nie jest dokonywana podczas wysyłania próbek, lecz dopiero po skończeniu pojedynczego cyklu (kilkakrotnie, z wyliczeniem wartości średniej). Wtedy też następuje rozładowanie układu prostownika.

Wygląd i obsługa programu.

Obydwie wersje programu mają zbliżony interfejs użytkownika. Posiadają opcje konfiguracyjne w postaci ustawienia adresu karty (adres przy uruchomieniu programu ustalany jest automatycznie w sposób opisany uprzednio), poziomu napięcia podawanego na układ (w woltach), elementy informacyjne (w tym wskaźnik zaawansowania) analogiczne do opisanych uprzednio.

Wybór rodzaju charakterystyki (logarytmiczna/ liniowa) decyduje o doborze częstotliwości badawczych (które będą podawane na układ). Jeśli wybrano charakterystykę liniową, przedział częstotliwości 1 Hz- 1 kHz (2 Hz- 20 kHz) będzie podzielony na równe odcinki, w przeciwnym zaś przypadku zgodnie z podziałem logarytmicznym. Ilość odcinków podziału, tzn. ilość przeprowadzonych cykli pomiarowych ustalana jest za pomocą suwaka „Ile próbek”. Przycisk „Pomiar” rozpoczyna cykl pomiarowy, natomiast „Zapis”- zapisanie wyników do pliku (po uprzednim dokonaniu pomiaru). Suwak oznaczony „Kalibracja” służy do dokonania kalibracji układu, tak, aby napięcie podawane na układ podczas pomiaru miało rzeczywiście taką częstotliwość, jaka będzie zapisana do pliku wynikowego. Po naciśnięciu na przycisk na wyjście układu zostanie podane napięcie o pewnej częstotliwości. Należy tak regulować suwakiem, aby częstotliwość ta zgadzała się z napisem na przycisku (kontrola za pomocą dokładnego częstościomierza).

Ilustracja 3 Wygląd programu "Charakterystyka AC" w wersji 1k.

Ilustracja 4 Wygląd programu "Charakterystyka AC" w wersji 20k.

Jedynym elementem okna programu w wersji 20k nie występującym w wersji 1k jest wybór linii wyjścia cyfrowego służącego do rozładowania prostownika. Standardowo jest to bit o numerze 1 (zgodnie z budową stanowiska pomiarowego), jednakże istnieje możliwość jego zmiany, aby umożliwić korzystanie z alternatywnych układów prostowniczych.

Po ukończeniu pomiaru automatycznie rysowany jest wykres. W przypadku konieczności jego zregenerowania (odświeżenia) należy kliknąć myszą w jego obrębie.

Wizualizacja zjawisk zachodzących w obwodach elektronicznych.

Założenia działania programu.

Program umożliwia wizualizację (uwidocznienie) zjawisk zachodzących w układach elektronicznych. Składa się z generatora różnorodnych przebiegów podawanych na wejście układu oraz części „odbiorczej”- oscyloskopu, umożliwiającego obserwację przebiegów wyjściowych układu elektronicznego.

Co pewien czas jest realizowany cykl pomiarowy, powodując regenerację wykresów. Program umożliwia zapisanie na dysku danych obrazujących przebiegi: wejściowy i wyjściowy, oraz ma możliwość regulacji wielu parametrów przebiegu wejściowego. Za pomocą tego programu jest możliwa wizualizacja działania układów takich jak:

• ogranicznik

• filtr

• układ całkujący

• układ różniczkujący

Idea działania.

Program zawiera tablicę próbek wysyłanych i pobieranych z badanego obiektu (podobnie jak „Charakterystyka AC 1k”). Częstotliwość wysyłania i ilość próbek są takie same, jak w tamtym programie, do pociąga za sobą maksymalną częstotliwość generowanego sygnału równą 1 kHz. W przeciwieństwie jednak do „Charakterystyki...” wartości poszczególnych próbek po przeskalowaniu wyświetlane są w oknie programu. Co pewien czas aktywizowana jest procedura pomiarowa i regenerująca wykres.

Wygląd i obsługa programu.

Główne okno programu jest podzielone na dwie części: generator i oscyloskop. Po prawej stronie u dołu zgrupowane są elementy regulacyjne, służące do ustalania podstawowych parametrów generowanego sygnału: jego częstotliwości, amplitudy i współczynnika wypełnienia (tylko dla sygnału prostokątnego). Po lewej stronie natomiast znajduje się grupa przycisków wyboru rodzaju sygnału (trójkątny, prostokątny, piłokształtny, sinusoidalny lub szum), oraz przycisk włączający zaszumienie sygnału szumem w.cz. (o częstotliwości rzędu 10 kHz, nakładany jest bowiem na każdą próbkę z osobna).

Ilustracja 5 Główne okno programu "Wizualizator".

Przycisk „Pomiar aktywny” służy do wyłączania (np. na czas zmiany ustawień sygnału) i ponownego włączania procesu regeneracji wykresów. Suwaki „Szerokość X” oraz „Faza X” regulują ilość okresów sygnału mieszczących się w oknie programu oraz ich fazę początkową. W osi Y sygnał jest rozciągany automatycznie do wypełnienia całej wysokości wykresu.

Oprócz wymienionych wyżej składników program posiada także rozwijane menu. W menu „Plik” dostępne są pozycje pozwalające zapisać do pliku przebieg wejściowy, wyjściowy, bądź też oba z nich, zapoznać się z informacjami o programie lub też zakończyć jego pracę. Menu „Konfiguracja” zawiera opcje konfiguracyjne, dotyczące ustawień pracy programu oraz parametrów szumu (pozycja „Szum” w przełączniku wyboru sygnału). Pozycja „Ustawienia ogólne” otwiera dodatkowe okno konfiguracyjne.

Ilustracja 6 Ustawienia ogólne programu "Wizualizator".

Dostępne są tu opcje ustawienia adresu karty (analogicznie jak w poprzednich programach, po uruchomieniu program usiłuje odczytać adres karty z pliku), częstości pomiarów oraz dokonania kalibracji (jak w przypadku programu „Charakterystyka AC 1k”). Przyciski pozwalają na zachowanie lub też porzucenie dokonanych zmian.

Druga pozycja menu, „Parametry szumu” otwiera okno ustawień dotyczących szumu.

Ilustracja 7 Parametry szumu w programie "Wizualizator".

Tutaj można dokonać zmiany rodzaju szumu (wąsko- lub szerokopasmowy), jego zmienności oraz amplitudy zaszumienia. Ustawienia zmienności i pasma dotyczą szumu będącego jedną z pozycji przełącznika „Kształt”, nie zaś zaszumienia sygnału. Amplitudę szumu jako rodzaju sygnału można regulować tak, jak innych jego rodzajów, suwakiem po prawej stronie u dołu głównego okna programu.

4. Przebieg ćwiczenia.

Charakterystyka napięciowo-prądowa.

Charakterystyka diody Zenera.

Charakterystyka napięciowo-prądowa diody Zenera w kierunku przewodzenia winna nie odbiegać od kształtu charakterystyki diody prostowniczej, natomiast w kierunku zaporowym winna cechować się charakterystycznym zakrzywieniem dla wartości napięć wstecznych zbliżonych do napięcia przebicia.

! Należy wyznaczyć doświadczalnie za pomocą programu „Charakterystyka napięciowo-prądowa” kształt charakterystyki diody Zenera o napięciu przebicia równym 3,9V. Dioda ta wchodzi w skład stanowiska pomiarowego jako przykładowy element doświadczalny. Schemat połączeń układu pomiarowego przedstawia rysunek.

Rys. 12 Połączenia układu pomiarowego - wyznaczanie charakterystyki diody Zenera.

Po uruchomieniu programu należy ustawić suwak dokładności pomiaru w pozycji „Dokładnie”, zaś przełącznikiem rodzaju charakterystyki wybrać opcję „Charakterystyka bipolarna”. Po dokonaniu pomiaru można zapoznać się z otrzymanym kształtem charakterystyki lub zapisać otrzymane wyniki do pliku celem dalszej obróbki za pomocą programu do prezentacji danych.

Otrzymaną w wyniku pomiaru charakterystykę, należy zobrazować za pomocą np. programu Grapher

Charakterystyka częstotliwościowa.

Wyznaczanie charakterystyki częstotliwościowej układów: całkującego i różniczkującego.

Charakterystyka teoretyczna.

Układ całkujący jest czwórnikiem, w którym zachodzi następująca zależność między napięciem wejściowym, a napięciem wyjściowym:

Najprostszy układ całkujący ma postać jak na rysunku. Doprowadzenie na jego wejście napięcia u_we(t) powoduje pojawienie się na jego wyjściu napięcia:

Układ rzeczywisty RC będzie więc zbliżony do idealnego układu całkującego, gdy u_wy(t)<<u_we(t).

Rys. 13 Układ całkujący: a) schemat, b) odpowiedź na skok jednostkowy, c) odpowiedź na wymuszenie harmoniczne.

Charakterystyki częstotliwościowe układu całkującego przedstawiono na rysunku.

Rys. 14 Charakterystyki częstotliwościowe układu całkującego: a) amplitudowa, b) fazowa

W przypadku układu różniczkującego między napięciem wyjściowym i wejściowym zachodzi zależność:

Najprostszym układem różniczkującym jest czwórnik RC jak na poniższym rysunku. Doprowadzenie doń napięcia u_we(t) powoduje wystąpienie napięcia na wyjściu o wartości:

Analogicznie, jak w przypadku rzeczywistego układu całkującego, układ jest zbliżony do idealnego, gdy u_wy(t)<<u_we(t).

Rys. 15 Układ różniczkujący: a) schemat, b) odpowiedź na skok napięcia

Charakterystyki częstotliwościowe układu różniczkującego przedstawiono na rysunku.

Rys. 16 Charakterystyki częstotliwościowe układu różniczkującego: a) amplitudowa, b) fazowa.

Więcej informacji na temat teorii układów różniczkujących i całkujących można znaleźć w dostępnej literaturze dotyczącej teorii obwodów elektrycznych.

! Należy przeprowadzić pomiar charakterystyki częstotliwościowej (amplitudowej) czwórników RC w konfiguracji układu różniczkującego i całkującego. Ze względu na bezpośrednie zasilanie tych układów z obwodu pomiarowego, jak też brak wtórnika napięciowego na wyjściu uzyskane wyniki należy traktować jako orientacyjne.

Konfigurację układu pomiarowego przedstawia poniższy rysunek.

Rys. 17 Układ pomiarowy do wyznaczenia charakterystyki częstotliwościowej układu całkującego (program w wersji 1k).

Należy podkreślić, że poniższy układ pomiarowy przeznaczony jest do wyznaczenia charakterystyki częstotliwościowej za pomocą programu w wersji 1k, która nie korzysta z prostownika pomiarowego. W przypadku układu całkującego szkodliwy bocznikujący wpływ kondensatorów tegoż przetwornika jest nie do uniknięcia i otrzymane wyniki nie są wiarygodne (należałoby zastosować układ oddzielający).

Rys. 18 Układ pomiarowy do wyznaczenia charakterystyki częstotliwościowej układu różniczkującego (program w wersji 20k).

W przypadku układu różniczkującego można użyć programu wykorzystującego prostownik, gdyż jego wpływ na układ jest znacznie mniejszy. Oczywiście można również dla układu różniczkującego zastosować program w wersji nie wykorzystującej prostownika.

W przypadku wyznaczania charakterystyki częstotliwościowej wzmacniacza (także posiadającego układ RC na wejściu lub pomiędzy stopniami) problem ten staje się mało znaczący, a wykonane pomiary- dokładniejsze.

Należy wyznaczyć charakterystyki częstotliwościowe omawianych układów różniczkujących i całkujących, zbudowanych z elementów wchodzących w skład stanowiska pomiarowego.

W sprawozdaniu należy zamieścić „teoretyczne” układy pomiarowe oraz charakterystyki uzyskane przy użyciu programu a także za pomocą programu np. Grapher.

Literatura :

[1]. Ałaszewski D. - „Zastosowanie karty pomiarowej PCL 818L do wyznaczania charakterystyk wybranych elementów i układów elektronicznych”, praca magisterska Częstochowa 1999;

[2]. Gortat G. - „Laboratorium miernictwa elektronicznego”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 1993;

[3]. Horowitz P. - „Sztuka elektroniki” tom 1 i 2; WKiŁ Warszawa 1997;

[4]. Cage J. M., Oliver B. M. - „Pomiary i przyrządy elektroniczne”, WKiŁ Warszawa 1978;

[5]. Badźmirowski K., Karkowska H., Karkowski Z.: „Cyfrowe systemy pomiarowe”, PWN, Warszawa 1986.

[6]. Piech J. - „Elementy i układy cyfrowe”, PWN Warszawa 1990;

[7]. Mirski G.J. - „Miernictwo elektroniczne”, WKiŁ Warszawa 1993;

[8]. Świstulski D. - „Laboratorium z systemów pomiarowych”, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 1998.

[9]. LabVIEW. National Instruments Corporation 1996.

25

-21-

---