1 Uvod v vaje - arnes.si

Uporaba električnih vezij in naprav

Pripravil, zbral in uredil: Branko Vrečar

1

1 Uvod v vaje

Laboratorijske vaje v najlepši obliki dopolnjujejo in zaokrožujejo predavanja ter računske vaje

s praktičnim sestavljanjem vezij, preverjanjem delovanja in meritvami izračunanih

karakteristik. S tem je hkrati prikazana sklenjena včasih kar dolga pot od načrtovanja in

projektiranja vezja do potrditve zastavljenih zahtev. Spoznali bomo, da le praktični merilni

rezultati nekaj povedo o uspešnosti opravljenega dela. Večkrat bomo ugotovljali, da so zelo

različni od želenih. Šele tedaj se začne resno delo.

Da bo čim manj težav v laboratoriju, se je potrebno za vaje skrbno pripraviti. Pristop k vajam

je dovoljen le slušateljem z delno pripravljenim poročilom za vaje.

Avditorne vaje

Na avditornih vajah bomo skupaj opravili izračune vaj. Dobili boste vsa navodila za izvedbo

vaje, kar skrbno zapišite v zvezke. Doma se iz zapiskov in te skripte in katalognih podatkov

pripravite na izvajanje vaj. Na predpisan formular pripravite poročilo vaje ( naslov vaje,

besedilo vaje-zahteve, merilno vezje, pripravljene tabele z izračunanimi vrednostmi, izračuni,

grafi). Komentar boste napisali po opravljeni vaji.

Izvajanje vaj

Vaje izvajata po dva v skupini. Vsak vodi lastne zapiske v zvezku A4. Skrbno ravnajte z

merilnimi instrumenti in opremo. Vsako napako, okvaro, nepravilnost javite profesorju. Pred

izvedbo vaje popišite merilne instrumente. (točka 3 v poročilu).

Preverjanje znanja

Na koncu opravljenih vaj je potrebno v roku oddati poročila vaj, le to je pogoj za pristop k

pisnem izpitu (testu), katera vprašanja se nanašajo na izvajanje vaj in predavanj.. Pozitivna

ocena poročil in ocena pisnega testa predstavlja opravljene obveznosti. Nekomletna poročila je

potrebno izdelati ponovno.

Varstvo pri delu

Pri delu v laboratoriu se srečujemo z napetostmi. Te delimo (generalno) na:

varne – nizke napetosti do 50V (baterije, enosmerni napajalniki v laboratoriju),

nevarne – visoke napetosti višje od 50V (omrežje 230VAC, 50Hz).

Učinki napetosti

enosmerna napetost (tok) sproži elektrolizo, ki spremeni sestavo snovi,


2

izmenična napetost (tok) povzroča krče mišic (tudi srce, ki tako utripa s previsoko frekvenco

– fibrilira in ne črpa krvi),

opekline, povzroča jih moč signala P=I2R=UI.

Posebno nevarno je omrežje, ki je ozemljeno, kar pomeni, da dotik enega vodnika (faze) lahko

povzroči električni tokokrog in s tem vse posledice. V tem sistemu ima fazni vodnik napetost,

ki se spreminja od nič do +325V in nazaj do nič in –325V itd.. Učinek je odvisen predvsem od

velikosti toka in poti skozi telo (najslabša je prek srca – med obema rokama). Upornost telesa

(zlasti površine roke) je lastna posamezniku in znaša od 100k (10V), 10k (50V), 1k

(220V). Pri višji napetosti se upornost zniža, kar še dodatno povečuje poškodbe in samo

nevarnost.

Poškodbe zaradi električnega toka:

I. 0 do 25mA – brez trajnih posledic,

II. od 25mA do 100mA – nezavest,

III. od 0.1A do 3A – nezavest, filibracije, opekline

IV. nad 3A – nezavest, smrtno nevarno (takojšna smrt).

Zadnje območje je možno le pri zelo visokih napetostih (>1kV). Poškodbe so odvisne od časa

trajanja (Uit) in od poti skozi telo (glava – srce – roka – noga).

Zagotavljanje varnosti:

ozemljitev, vsa kovinska ohišja so prek posebnega priključka vezana na potencial zemlje

(ozemljena),

ločilni transformator, prekine ozemljitev s čimer noben (od dveh) vodnikov nima potenciala

proti masi, pač pa le med seboj. Dotik le enega od vodnikov ni nevaren (če drugi ni v kakem

stiku z ozemljitvijo),

uporaba nizkih napetosti: uporaba napetosti, ki niso človeku nevarne,

uporaba plastičnih ohišij s primerno trdnostjo, ki preprečijo možen dotik nevarnih napetosti.

Prisotnost faze preverjamo s faznim preizkuševalcem, ki ima vgrajeno tlivko z Ut=80V. Tok

potreben, da tlivka sveti je približno 0.2mA. Pri preizkusu prisotnosti faze preverimo vse

vodnike, saj lahko pride do pomote (v primeru prekinjenih vodnikov).



3

Izvajanje laboratorijskih vaj

Slika 1.1: Zgled merjenega vezja

Pred meritvijo je potrebno povezati tokokroge.To izvajamo ko so merilniki izključeni.

Najprej povežemo napajalni tokokrog (napajanje), nato priključimo še merilnike (na vhodu

in izhodu vezja).

Preverimo vezavo. Po potrebi prve vaje preveri učitelj.

Dosege merilnikov postavimo na take vrednosti, kot jih pričakujemo oz. da ne pride do

preobremenitve.

Vključimo elektronske merilnike (najprej osciloskop, nato napajanje in nazadnje še

generator – vhodni signal). Generator naj bo na začetku nastavljen na majhno vrednost.

Merilne veličine nastavimo na ustrezne vrednosti, nastavimo merilnike in izvajamo merjenje.

Med samo meritvijo ne zapuščamo merilnega mesta, po potrebi kontroliramo napajanje in

vhodni signal.

Po končani meritvi izkjučimo merilnike v obratnem vrstnem redu.

Splošna navodila in opozorila

Posebej pazljivo je meriti v napravah, ki so priključene na nevarne napetosti (omrežje). Če

je ohišje kovinsko, mora biti ozemljeno.

Pred meritvijo preuči dokumentacijo in si napravo oglej.

Ne odpiraj naprave, ki je priključena na omrežno napetost (najprej jo izključi).

Upoštevaj lastnosti merilnikov, ki jih uporabljaš.

Zlasti kondenzatorji in filtri lahko obdržijo velik naboj, ki povzroči nevaren tokovni

(napetostni) udar.

Uporabljaj samo priključne vrvice (in sonde), ki imajo dobro izolacijo in ustrezajo

priključitvi merilnika.

Ne meri, če naprave oz. vezja ne poznaš.

Na zaključku vaj mora biti laboratorijsko mesto pospravljeno in izključeno.

Pri delu v laboratoriju pričakujemo odgovorno obnašanje slušateljev.


4

V s e e l e k t r i č n e n a p r a v e d e l u j e j o b o l j e , č e s o v k l j u č e n e !

Oblika in vsebina poročila laboratorijske vaje

Poročilo laboratorijske vaje vsebuje:

Številka in naslov vaje

1. Besedilo vaje (zahteve za vajo)

2. Vezalni načrt, merilno vezje (odvisno od vaje)

3. Popis instrumentov, naprav in elementov (tipični katalogni podatki)

4. Rezultati meritev, izračuni, tabele in grafi

Izračunane in izmerjene vrednosti vpišite v merilno tabelo, ki naj vsebuje vse

pomembne podatke. Grafična predstavitev rezultatov z diagrami.

5. Komentar vaje

Opis vezja in merilne metode, primerjava izmerjenih in izračunanih vrednosti,

posebnosti, lastne ugotovitve in opažanja, vzroki za neuspešno izvedeno vajo,

itd.

Oblika

Poročila vaj izdelajte na zato pripravljene formularje (glej Dodatek). Lahko pa podobne

računalniško izdelate tudi sami.



5

Nekaj napotkov za pisanje tehniških besedil

(Povzeto iz Elektrotehniški vestnik št. 5 1984, str. 193-196)

1. Sklicevanje na že ugotovljena dejstva. Vse ugotovitve, slike grafi, ki se ne sklicujejo na ta

dejstva (reference), so avtorjeve.

2. Pisanje v lepem slovenskem jeziku.

3. Kadar uporabljamo izraz, ki še nima ustaljenega slovenskega prevoda, izberemo najbolj

primeren prevod in zraven napišemo v oklepaju originalni izraz npr.: svetlobni čitalnik

(scaner).

4. Enačbe, slike in tabele naj bodo oštevilčene, npr.;

U P R1 1 1 (1.9)

5. Slike in tabele naj imajo za številko tudi pojasnilo, npr.;

Slika 1: Presek transformatorja

6. Čim manj copy-paste dodatkov (slike, grafi ipd.). Rajši uporabimo ustrezna programska

orodja in dodatke direktno vključimo v besedilo.

7. Besedilo tudi lično oblikujemo. Izberimo lepo, ne preveliko in lahko berljivo pisavo

(velikost 11 ali 12pt).

Splošno o merjenju merilnikih in rezultatih merjenja

6

2 Splošno o merjenju merilnikih in

rezultatih merjenja

Merjenje v elektroniki zajema merjenje električnih veločin (U, I, P, f in t), lastnosti elementov

(RLC), lastnosti vezij in naprav ter merjenje posebnih lastnosti (zanesljivost, varnost, hitrost

prenosa …), ki so za telekomunikacije izredno pomembne. Pri merjenje uporabljamo merilne

instrumente:

splošne merilnike,

posebne (specialne) merilnike.

Splošni merilniki merijo predvsem splošno znane veličine in vrednosti (U, I, R, P, t, f, ..) in

so razmeroma enostavno zgrajeni in tudi enostavni za uporabo. Pri posebnih merilnikih pa je

zgradba prilagojena namenu in se uporabljajo predvsem za merjenje vrednosti in lastnosti, ki

jih z običajnimi merilniki in pstopki ne moremo izmeriti.

Pri vseh merilnikih je potrebno upoštevati, da imajo vsi merilniki notranjo upornost

(impedanco), ki jo z merilno vrvico (sondo) priključimo na merilno točko. Pri tem spremenimo

vrednosti, kar povzroča nenatančno meritev. Merilniki so zgrajeni tako, da imajo zelo visoko

vhodno upornost ali pa skoraj 0 pri ampermetrih. Napako, ki jo tako povzročimo, lahko

izračunamo, če poznamo upornost izvora merjenega signala in vhodno upornost merilnika.

Dodatno napako pri meritvi pa povzroča natančnost merilnika, ki je podana kot razred

merilnika.

Poseben problem pri merjenju v elektroniki prestavlja izbira merilnikov in merilnih metod,

predstavitev merilnih rezultatov in interpretacija (vrednotenje) rezultatov. Za pravilno izbiro

instrumentov in merilne metode moramo poznati tako delovanje in lastnosti merilnikov kot tudi

merilne metode, ki omogočajo merjenje tistega kar želimo izmeriti.

Rezultate izrazimo številčno (U=12V), v obliki razmerja (U2/U1=5.4), z merilno tabelo s katero

izrišemo diagram (grafična predstavitev meritve), ki omogočaja pregled nad meritvijo.

Merilne rezultate lahko interpretiramo le, če poznamo merilne pogoje (okolje, merilno metodo,

uporabljene instrumente) in pravi (pričakovan) rezultat. za določitev pričakovanega rezultata

je potrebno poznati delovanje vseh sklopov (merjenca in merilnikov) v merilnem postopku.

Merjenje zahteva teoretično pripravo in (tudi) določene izkušnje, ki jih lahko pridobimo le s

praktičnim delom (merjenjem).

Kdor ne ve, kakšen je pravilen rezultat meritve (približen rezultat), nima kaj meriti. Meritev je potrditev in utrditev

teorije vezij, zato je po vsaki meritvi potrebno dodati komentar, ki pojasnuje merilne rezultate.

Merilni sistem


7

3 Merilni sistem

Merilni sistem predstavljajo merilni objekt, merilna naprava, naprava za obdelavo merjene

vrednosti, vir pomožne energije in okolica. Merilni sistem je predstavljen na (Slika 3.1).

Slika 3.1: Merilni sistem

Osnovni pretok energije in/ali informacije poteka iz merilnega objekta v merilno napravo.

Merjena veličina je lahko električna ali neelektrična, rezultat meritve pa je električna veličina,

ki jo nato preoblikujemo v primerno obliko za prikaz v napravi za obdelavo merjene vrednosti.

Elektronske merilne naprave napajamo z virom pomožne energije npr. baterijo, usmernikom).

V nekaterih merilnih sistemih želimo, glede na rezultate meritev, vplivati nazaj na merilni

objekt preko merilne naprave. Meritev je odvisna tudi od vplivov iz okolice: temperatura, vlaga,

električna in magnetna polja, radijske motnje …

Elektronski merilni sistemi se uporabljajo v elektrotehniki, kemijski industriji, v vozilih,

strojništvu, gradbeništvu, medicini itd.. Merilni sistemi so brez povratnih vezav ali pa imajo

povratno vezavo, lahko so avtomatizirani. Razen merilnih sistemov pa moramo imeti tudi

izvore znanih oblik za testiranje in vmerjanje merilnih sistemov in generatorje signalov za

merjenje odzivov merjencev.

Odprti merilni sistem

Odprti merilni sistem ali merilni kanal je zgrajen iz merilnega pretvornika, prilagodilnega člena,

ojačevalnika z nastavljivim ojačenjem, člena za linearizacijo, logaritmeranje ali potenciranje,

oblikovalnika, filtra, analogno digitalnega pretvornika, digitalno analognega pretvornika in

podobno. Zadnji element merilnega sistema je analogni ali digitalni prikazovalnik (Slika 3.2)

Merilni sistem

8

Slika

3.2:

Odprti

merilni

sistem

Za

električne veličine je merilni pretvornik naprava, ki pretvori napetost, tok, naboj, upornost,

induktivnost, kapacitivnost, fazni kot in frekvenco v tok, napetost, frekvenco, fazni kot, …, za

neelektrične veličine pa je merilni pretvornik naprava, ki pretvori neelektrične veličine, kot

naprimer: temperaturo, pH vrednost, razdaljo, silo, pritisk, volumen, svetlobo, … v električno

veličino.

Merilni kanal prikaže samo eno merjeno veličino. Pri dvodimenzionalnem prikazu merilne

veličine prikažemo vrednosti v odvisnosti od časa opazovanja. Takšni prikazovalniki so :

osciloskop, tiskalnik in risalnik.

Kadar opazujemo dve merjeni veličini lahko obe merjeni veličini opazujemo v odvisnosti od

časa ali od frekvence, ali pa opazujemo eno veličino v odvisnosti od druge. Prikazovalniki so v

tem primeru. dvokanalni osciloskop, X-Y risalnik ipd..

Izvori merilnih signalov

Izvori merilnih signalov so generatorji sinusne in drugih oblik napetosti ali toka. Generatorji

imajo nastavljive napetosti, od nekaj V do nekaj deset V in nastavljive frekvence od nekaj

mHz do več GHz. Z izvori merilnih signalov nadomestimo oziroma simuliramo signale iz

procesa (testni signali). Blok shema tipičnega izvora merilnega signala je predstavljena na sliki

3.3.

Slika 3.3: Izvor merilnega signala

Merilni sistem


9

Zaprti merilni sistem

Primerja znano z neznano merjeno veličino. Na sliki 3.4 je uravnovešanje predstavljeno s

povratno vezavo H4.

Slika 3.4: Zaprti merilni sistem – uravnovešanje s povratno vezavo

Zaprti merilni sistemi vsebujejo merilni mostiček, odprti merilni sistem in povratno vezavo. Iz

povratne vezave dobimo znano veličino, ki sledi neznani vhodni veličini. Pri spremembi

vrednosti v eni veji mostička moramo za uravnovešanje mostička spremeniti vrednost v drugi

veji mostička. Ko je vzpostavljeno ravnotežje v mostičku je znana veličina premosorazmerna

neznani veličini.

Uravnovešanje lahko opravimo ročno ali avtomatsko. Na sliki 3.5 je prikazan avtomatski

merilni sistem s samonastavljivim mostičkom. Pri spremembi upornosti Rx zaradi spremembe

temperature, tlaka, …, se na ojačevalniku A1 pojavi napetost u2. Z ojačevalnikom A2 se

sprememba napetosti u2 primerno ojači in vklopi motorček M za premik drsnika merilnega

potenciometra R4. Motorček premika drsnik tako dolgo, da pride mostiček v ravnovesno stanje.

Takrat je na izhodu ojačevalnika napetost u2=0 in motorček se ustavi. Pomik drsnika

potenciometra je premosorazmeren spremembi upornosti merilnega upora Rx:

4

1

2 RR

RRx (3.1)

Spremenljiva vrednost upora R4 običajno ni večja od 1:20 in ne more zajeti celotno področje

sprememb neznane upornosti Rx, zato je potrebeno razen spremembe razmerja R2/R1, menjati

tudi maksimalne vrednosti upora R4. Zaprti merilni sistem s samonastavljivim mostičkom je

prikazan na sliki 3.5.

Merilni sistem

10

Slika 3.5: Zaprti merilni sistem s samonastavljivim mostičkom

Avtomatiziran merilni sistem

Zgrajen je iz enega ali več merilnih kanalov, mikroračunalnika in enega ali več

prikazovalnikov.

Razen mikroračunalnikov in mikrokrmilnikov se danes uporabljajo osebni računalniki in

delovne postaje z ustreznimi vhodno izhodnimi moduli. Prednost računalnikov je v množici

programskih paketov, ki so na voljo za obdelavo merjenih signalov in izmenljivosti podatkov

preko računalniških mrež.

Slika 3.6: Avtomatizirani merilni sistem

Osnovne lastnosti merilnega sistema

Osnovne lastnosti merilnega sistema so določena z:

amplitudno-frekvenčno karakteristiko

fazno-frekvenčno karakteristiko in

amplitudno-amplitudno karakteristiko (prenosna, prevajalna funkcija)

Pogreški v merilni tehniki


11

4 Pogreški v merilni tehniki

Osnovni pojmi merilne tehnike

Meritev je eksperimentalno določevanje neke fizikalne veličine, ki jo imenujemo merjena

veličina. Velikost merjene veličine določimo tako, da jo primerjamo z ustrezno enoto J in

izrazimo s številom x.

M= xJ (4.1)

M predstavlja merjeno vrednost merjene veličine. Merjena vrednost, ki predstavlja rezultat

merjenja (merilni rezultat), dobimo iz produkta številčne vrednosti in pripadajoče enote (npr.

10,7, 3.5A).

Merilni rezultat je lahko izračunan iz več merjenih vrednosti z določenim matematičnim

postopkom (npr. moč določi s produktom toka in napetosti).

Če merjena vrednost predstavlja merljivo lastnost enega telesa, potem to telo imenujemo

merilni objekt.

Meritev se izvaja s pomočjo kazalnih meril in merkov1. Pri kazalčnih instrumentih je celotno

območje kazanja kazalno območje, merilno območje pa je območje znotraj kazalnega območja,

kjer je pogrešek znotraj predpisanih mej.

Vzroki in vrste pogreškov

Ločimo tri vrste pogreškov: grobe, sistematične in slučajne.

Grobi pogreški nastanejo pri nepazljivosti merilca, z izbiro nepravilnega merilnega postopka

ali zaradi nepoznavanja vzroka pogreška. Teh pogreškov ne obravnavamo, ker se jih da s

pazljivostjo odstraniti.

Sistematični pogreški nastanejo zaradi nepopolnosti merka, merila, merilnega postopka,

merjenega objekta, vpliva okolice in vpliva merilca. Ti pogreški se lahko upoštevajo z ustrezno

korekcijo rezultatov. Če korekcije ne opravimo je rezultat meritve nepravilen oziroma ima

sistematični pogrešek.

Slučajni pogreški so posledica spremembe merkov, meril, merjenega objekta, spremembe

vpliva okolice in merilca. Rezultati ponovnih meritev imajo različne vrednosti in rezultat

postane nesiguren. Z izračunom povprečnih vrednosti se da te pogreške upoštevati.

1 merki so utelešene mere-enote, večkratniki ali deli enot, uporovne normale, ..


12

Pogrešek in popravek pri merilih in merkih

Razlika med izmerjeno in pravilno vrednostjo dobljeno z osnovnimi sredstvi, ali s pomočjo

normal in postopkov se imenuje pogrešek. Tak pogrešek je sistematični.

Absolutni pogrešek je razlika med izmerjeno (dejansko) prikazano vrednostjo xizm in pravo

(točno, izračunano) vrednostjo xp.

pizm xx (4.2)

Relativni pogrešek v % je razmerje med absolutnim pogreškom in pravo vrednostjo xp.

100

px

[%] (4.3)

Za kazalne instrumente je relativni pogrešek podan z razmerjem med absolutnim pogreškom in

maksimalno vrednostjo merilnega območja.

Popravek ali korekcija ima enako absolutno vrednost kot absolutni pogrešek vendar različni

predznak.

Vzroki za nastanek sistematičnih pogreškov

Navadno na merjeno vrednost ne vpliva samo merjena veličina, ampak pride do neželjenih

vplivov drugih fizikalnih veličin. Ker vplivajo na meritev jih imenujemo vplivne veličine. Te

veličine so lahko:

Vpliv frekvence – na odklon instrumentov, ki merijo izmenične napetosti in tokovi pri različnih

frekvencah. Vzrok je lahko v spremembi vhodne impedance merilne naprave.

Oblika napetosti – merilnik sinusne oblike napetosti dela pri merjenju druge oblike določeno

napako.

Vpliv segrevanja – merilna naprava kaže različne vrednosti takoj po vklopu kot po daljšem

času obratovanja.

Vpliv temperature – merilna naprava kaže različne vrednosti pri različnih temperaturah

okolice.

Vpliv stresanih magnetnih polj – stresana magnetna polja vplivajo na meritev naprav, ki

uporabljajo trajne magnete in elektromagnete. Zunanje polje se superponira k notranjemu.

Meritev ne izvajmo v

bližini vodnikov skozi katere tečejo veliki tokovi.

Vpliv električnega polja – na meritve naprav, ki delujejo na elektrostatskem principu.

Vpliv železnih predmetov – spremeni lahko merilno magnetno polje merilne naprave.



13

Slučajni pogreški

Če merilec meri isto konstantno veličino večkrat zaporedoma z istim instrumentom in pri istih

zunanjih pogojih, bo dobil rezultate, ki med seboj ne bodo povsem enaki. Vzrok za nastalo

razliko so npr. spremembe upornosti kontaktov, šum, sprememba napetosti in frekvence

omrežja, temperatura, zračni tlak, vlažnost. Ker so posamezni rezultati dobljeni pri enakih

pogojih, so med seboj enakovredni. Pri opravljenih n meritvah z dobljenimi rezultati x1, x2, …

xn, je najverjetnejša vrednost merjene veličine aritmetična srednja vrednost:

n

i

n xinn

xxxx

1

21 1... (4.4)

Meritve linearnih sistemov

14

5 Meritve linearnih sistemov

Da je nek sistem linearen sklepamo po odzivu sistema na signal sinusne oblike – linearni sistem

ne spremeni oblike signala, lahko pa ima signal drugačno amplitudo in je fazno premaknjen.

Ločimo linearne sisteme z in brez popačenj:

Sistemi brez popačenja so sistemi, kjer na poljubni vhodni signal x(t) dobimo izhodni signal

y(t) podobne oblike.

Sistemi z linearnimi popačenji so sistemi, ki vsebujejo pri odzivu signala na poljubni vhodni

signal x(t) razen signala, ki je za konstanto različen od vhodnega signala, tudi druge

komponente. Na primer pri odzivu sistema na signal sinusne oblike dobimo na izhodu razen

osnovne harmonske komponente, še signale višjih harmonskih komponent.

Standardni signali

Pri opazovanju linearnih sistemov uporabljamo naslednje standardne vhodne signale:

a) signal sinusne oblike,

b) stopnična funkcija

c) enotina impulzna funkcija

d) linearno naraščajoča funkcija in

e) beli šum

a) Signal sinusne oblike sin(t) in cos(t) uporabljamo, kadar želimo opazovati obnašanje

sistema pri stacionarnih (časovno nespremenljivih pogojih) vhodnih signalih. Z njim lahko

ugotovimo, kakšno je ojačenje sistema in kakšen fazni pomik ima sistem pri izbrani

frekvenci.

b) c) Stopnično funkcija in enotino impulzno funkcijo uporabljamo za opazovanje sistema

v časovnem prostoru.

Zgled:

Odziv CR člena na stopnično in enotino impulzno funkcijo.

d) Linearna naraščajoča funkcija se uporablja pri opazovanju zakasnitev sistemov.

e) Beli šum uporabljamo takrat, kadar nas zanima frekvenčna karakteristika merjenca. Idealni

belošumni signal vsebuje enako velike amplitude pri vseh frekvencah. Tak belošumni signal

pripeljemo na vhod merjenca. Na izhodu dobimo odziv, ki ga s Fourierjevo tranformacijo

preslikamo v amplitudno frekvenčni prostor. Torej lahko z uporabo belošumnega

generatorja izmerimo amplitudno frekvenčno karakteristiko z eno meritvijo

Merjenje faznega poteka


15

Merjenje frekvenčne karakteristike

Ko govorimo o frekvenčni karakteristiki, je govora o odvisnosti lastnosti vezij od frekvence

signala. Spoznali smo že frekvenčno odvisnost impedance reaktivnih elementov (L in C). Ker

je njuna impedanca (razmerje med napetostjo in tokom) odvisna od frekvence signala, so tudi

lastnosti vezij, ki vsebujejo ta dva elementa, frekvenčno odvisne.

Frekvenčna karakteristika vezja je prenosna karakteristika, ki podaja razmerje med izhodno in

vhodno v odvisnosti od frekvence signala. Frekvenčna karakteristika vezja ni odvisna od

amplitude vhodnega signala. Vhodna veličina je lahko napetost, tok ali moč. Če nas zanima le

podatek o razmerju veličin, govorimo o ojačenju (A) ali o slabljenju (a). Merimo in podajamo

napetostno (Au), tokovno (Ai), močnostno ojačenje (Ap) in potek fazne razlike v odvisnosti od

frekvence vhodnega signala. Če želimo podati celovit podatek, pa navajamo frekvenčno

karakteristiko )( jF , ki je kompleksna funkcija. Absolutna vrednost frekvenčne karakteristike

)( jF je enaka ojačenju A.

Frekvenčno karakteristiko lahko izračunamo, če poznamo električno vezje (vezavo in vrednosti

elementov). Če imamo vezje, ki ima elemente neznanih vrednosti in zgradbe, lahko frekvenčno

karakteristiko le pomerimo in na osnovi rezultata sklepamo na zgradbo vezja. Frekvenčno

karakteristiko merimo s sinusnim (testnim) signalom.

Slika 5.1: Merilno vezje za merjenje frekvenčne karakteristike

Za merjenje frekvenčne karakteristike potrebujemo generator sinusnega signala, ki mu lahko

spreminjamo frekvenco v želenem območju. Vrednost vzbujevalnega signala nastavimo tako,

da je izhodni signal v celotnem območju frekvenc nepopačen. Ker imajo generatorji stabilno

amplitudo signala, lahko vhodni signal nastavimo in pomerimo le ob začetku meritve. Merimo

le odvisnost izhodnega signala od frekvence. Zaradi natančnosti merjenja je potrebno meriti

vrednost vhodnega signala (X) in vrednost izhodnega signala (Y). Kadar želimo natančen

podatek o frekvenčnih lastnostih, merimo tudi fazne razmere.

Pri meritvi je potrebno zagotoviti zaključitve in napajanje vezja. Tako mora biti Rg enaka

(vhodni) karakteristični upornosti vezja, Rb pa enaka (izhodni) karakterističi upornosti vezja.

Zaključitve so pomembne zlasti pri merjenju pasivnih vezij (uporovni delilniki in filtri), ki so

dimenzionirani tako, da imajo ustrezno deljenje ali frekvenčne lastnosti le v primeru, če so

zaključeni s karakterističnimi upornostmi.


16

Frekvenčno karakteristiko merimo tako, da frekvenco signala spreminjamo v (majhnih)

korakih, pri vsaki frekvenci pa merimo fazno razliko in amplitudno razmerje. Merilna tabela je

osnova za risanje diagrama.

Zgled merilne tabele:

Če želimo pregledno narisati pregledno frekvenčno karakteristiko, je potrebno izbrati primerne

frekvence (f1, f2, …). Testne frekvence izbiramo glede na vrsto in stopnjo vezja. Pri tem vezja

delimo na širokopasovna (ojačevalniki, uporovni delilniki, RC-členi …) in ozkopasovna vezja

(pasovni filtri in filtri višjih stopenj). Pri širokopasovnih vezjih uporabljamo logaritemski

frekvenčni korak (1, 2. 5. 10, …). Pri ozkopasovnih vezjih pa uporabljamo enakomeren

frekvenčni korak (1, 2, 3, 4, …). Na tak način pridobimo zadostno število točk, ki omogočajo

izdelavo kvalitetnega diagrama.

Pri merjenju amplitudnega razmerja se lahko srečujemo z majhnimi razmerji (do 10), lahko pa

so tudi zelo velika (>100). Če so razmerja majhna, potem jih merimo in podajamo v linearnem

razmerju (V/V), (A/A), (W/W); če pa so velika (>10), jih izražamo v decibelih (dB).

Pri merjenju in podajanju frekvenčne karakteristike uporabljamo tudi izraz mejna frekvenca.

Mejna frekvenca (lomna frekvenca) je tista frekvenca signala, pri kateri se moč izhodnega

signala zniža na 50% (-3dB) glede na vrednost odziva v ravnem delu frekvenčne karakteristike

(faza je 0).

Izbira skale za risanje diagrama je odvisna od izmerjenih rezultatov in potrebe. Vsekakor

moramo merilo prilagoditi tako, da lahko na diagram vnesemo vse podatke iz tabele. Če v

diagram vnašamo podatke o različnih meritvah, potem je smotrno uporabiti različne barve (ali

vrsto) črt ter dodati pojasnilo.

Ko smo pripravili diagram, vanj vnesemo podatke iz merilne tabele. Dobimo množico točk, ki

jih med seboj povežemo. Tako dobimo frekvenčno karakteristiko. Točke v grafu lahko

povežemo z ravnimi črtami (linearna interpolacija), če so točke zelo blizu skupaj. Če pa so

razdalje velike, pa moramo uporabiti krivuljnik. Pri merjenju frekvenčnih karakteristik je

priporočljivo, da diagram rišemo sočasno z meritvijo ali pa takoj po opravljeni meritvi.

f (Hz) U1(V) U2(V) Au Au(dB) ()

50

100

200

500

1k

2k

5k

10k

20k



17

Bodejev diagram

Zlasti za risanje in podajanje frekvenčne karakteristike širokopasovnih vezij se najpogosteje

uporablja Bodejev diagram. Osnova bodejevega diagrama je skala v logaritemskem merilu,

kjer enakomiren frekvenčni korak pomeni enako razmerje med sosednjima frekvencama.

Tako imamo pri linearni frekvenčni skali korake npr.: 10Hz, 20Hz, 30Hz … (10Hz/cm). Na tak

način ne moremo prikazati širok frekvenčni razpon (npr. 0d 10Hz do 1MHz). Logaritemsko

merilo pomeni razdelitev na dekade. log10=1, log100=2, log103=3, log104=4, log105=5,

log106=6 itd., V logaritemski skali je zaporedje korakov npr. 10Hz, 20Hz, 40Hz, 80Hz, 160Hz,

320Hz .. (razmerje je 2). Logaritemsko merilo skale za vrisovanje frekvenčnih karakteristik

imate podano v Dodatku.

V vertikalni smeri vnašamo logaritemski zapis frekvenčne karakteristike. Logaritemsko

podajanje ojačenja se nanaša na razmerje, ki ga opisujejo decibeli. V Bodejev diagram vnašamo

ojačenje v decibelih (dB) ter fazno razliko v linearnem merilu. (glej Dodatek).


Uvod

V izmeničnih tokokrogih, ki vsebujejo reaktivne elemente (L in C), se spremeni kot (fazna

razlika) med tokom in napetostjo. Fazne razmere so odvisne od razmerja impedanc in vezja

samega. Matematični zapis omogoča izračun razmer za vse frekvence, če poznamo vrednosti

elementov. Pri tem upoštevamo:

R je ohmska upornost (realna), G=1/R prevodnost,

XCc 1

je kapacitivna reaktanca (upornost),

X LL je induktivna reaktanca (upornost),

X jXC C je kapacitivna impedanca (imaginarna)

X jXL L je induktivna impedanca (imaginarna)

Z R jX impedanca (kompleksna upornost)-splošen zapis, Y Z 1 / admitanca

(kompleksna prevodnost). Z je absolutna vrednost impedance tudi kompleksna polna

upornost.

Enačbe, ki opisujejo razmere v izmeničnem tokokrogu, so kompleksne. V splošnem je potrebno

poznati le osnovne lastnosti elementov:

Tok skozi kondenzator prehiteva za 90 ( I j CUC C ), (napetost zaostaja za tokom)


18

Napetost na tuljavi prehiteva tok za 90 (U j LIL L ), (tok zaostaja za napetostjo za

90)Analiza faznega premika na primeru CR-člena

Pri tem vezju velja: I=IR=IC , zato je U=UR+UC=IR+(-jIXC)=Cj

IR

1

Zapis prikažemo v kompleksni ravnini (Gaussova ravnina):

Slika 5.2: Kazalčni diagram, napetostne razmere CR člena

Slika prikazuje fazne razmere. Kot med napetostjo na uporu je 90, pri čemer napetost na

kondenzatorju zaostaja za 90. Iz geometrijskih pravil izračunamo:

22

CR UUU ; R

C

U

Utg

R

C

U

Uarctg (5.1)

Pri enačbi 5.1 upoštevamo, da je tok skupen, dobimo:

22

CXRIU , R

Xtg C

RCarctg

1 (5.2)

Če se spremenijo vrednosti elementov ali frekvenca signala, se razmere spremenijo. Z

naraščanjem frekvence se niža fazni kot in napetost na uporu je vse bolj enaka napetosti na

generatorju, napetost na kondenzatorju gre proti nič.

Obratno pa pri nizkih frekvencah impedanca kondenzatorja naraste, zato gre tok skozi vezje

proti nič in zato tudi napetost ba uporu. Fazni kot gre proti 90. Če imamo konstantno napetost

generatorja in RC-člen, dobimo kazalčni diagram:



19

(5.3)

Slika 5.3: Kazalčni diagram, CR člen, konstantna

napetost generatorja

Enačbo 5.3 lahko preoblikujemo in dobimo zapis:

ReImRe 22 222 )2

1(Im)

2

1(Re (5.4)

Enačba 5.4 pojasnjuje kazalčni diagram s tem, da vrh (stik UR in UC) opisuje krožnico z radiem

U/2. Pričujoča slika 5.3 prikazuje razmere v celem vezju, tako da je razvidno:

Napetost na uporu UR prehiteva napetost na generatorju za kot . UR prehiteva napetost na

kondenzatorju za 90. UR je v fazi s tokom I.

Napetost na kondenzatorju zaostaja za napetostjo na generatorju za kot (90- ).

Razmere se spreminjajo s frekvenco. Pri enosmernem signalu (f0) gre UR0, napetost na

kondenzatorju je v fazi z generatorjevo, faza napetosti na uporu je +90. Z naraščajočo

frekvenco se impedanca kondenzatorja znižuje in UC0. Napetost na uporu je enaka

generatorjevi; faza je enaka 0.

Poseben primer je takrat, ko sta UR in UC enaki. Dobimo enakokrak pravokotni trikotnik, fazni

kot pa je 45; RUU 2 .

ImRe1 222

222

jCR

RCjCR

)1)(1(

)1(

11 RCjRCj

RCjRCjU

RCj

RCjU

CjR

RUU

R

,1

Re222

222

CR

CR

2221Im

CR

RC


20

Harmonska popačenja

Harmonska popačenja so nelinearna popačenja, ki nastanejo zaradi nelinearne prenosne

karakteristike elementa ali električnega vezja. Zato nastanejo v vezju novi višjeharmonski členi

vhodnega signala.

Če na vhod nelinearnega ojačevalnika priključimo signal sinusne oblike u1(t)=U1sint , lahko

zapišemo vrednost signala na izhodu:

u2(t)=Auu1(t)

če je ojačenje ojačevalnika nelinearno, dobimo: ...)()()()( 3

13

2

121102 tuatuatuaatu

Če upoštevamo zapis za u1(t), dobimo rezultat:

...sinsinsin)( 33

13

22

121102 UatUatUaatu

Če upoštevamo 2/)2cos1(sin2 tt in 4/)3sinsin3(sin3 ttt , dobimo:

...2sin)4/2cos)2/(sin)4/3(2/)( 3

13

2

12

3

1311

2

1202 tUatUatUaUaUaatu

Na izhodu dobimo signale, ki imajo frekvenco anako vhodni frekvenci, in signale, katerih

frekvenca je mnogokratnik vhodne frekvence (višje harmonske). Vsi signali, ki imajo

frekvenco, ki je mnogokratnik frekvence vhodnega signala (ta ima samo frekvenco f), so

posledica nelinearnosti. Imenujemo jih harmonska popačenja. Pri tem lahko obravnavamo

vsako komponento (signal določene frekvence) posebej ali pa vse višje harmonske komponente

skupaj. Sestavo popačenega signala pojasnuje 5.4.

Slika 5.4: Diagram frekvenčnega spektra

Frekvenčni spekter sestavljajo komponente Ai s frekvenco 1fi .

2/2120 Uaa je enosmerni signal.

4/3 3

1311 UaUa je amplituda signala z osnovno frekvenco (A1).



21

2/212Ua je amplituda signala z dvojno frekvenco (A2).

4/313Ua je amplituda signala s trojno frekvenco (A3).

Harmonska popačenja redko določamo z nivojem (močjo) harmonskih komponent. Največkrat

harmonska popačenja izrazimo kot razmerje med močjo posamezne (višje) harmonske

komponente (Ai) proti moči signala z osnovno frekvenco (A1).

%100(%)1

A

Ak i (5.5)

)log(20)(1A

AdBk i (5.6)

Faktor skupnih harmonskih popačenj (THD – Total Harmonic Distortion) je zelo popemben

podatek o kakovosti akustičnih naprav (obdelava in prenos govornega signala). Uho zaznava

skupno energijo in če je razmerje koristnega signala proti motnji ugodno (>60dB), motnje sploh

ne zazna.

Faktor skupnih harmonskih popačenj je določen kot razmerje med efektivno napetostjo vseh

višjih harmonskih komponent in skupno efektivno napetostjo signala.

%100...

...(%)

2

3

2

2

2

1

2

3

2

2

UUU

UUTHD (5.7)

Skupna harmonska popačenja najpogosteje izrazimo v odstotkih. Če upoštevamo, da so

popačenja zelo majhna (do 10%), lahko enačbo za THD poenostavimo, saj je v tem primeru

moč osnovnega signala oz. napetost osnovnega signala več kot 100-krat večja od moči oz.

napetosti ostalih moči(napetosti) skupaj, zato jih lahko zanemarimo in dobimo:

%100..

(%)1

2

3

2

2

U

UUTHD (5.8)

Merjenje harmonskih popačenj

Za merjenje harmonskih popačenj potrebujemo izvor (generator), ki daje na izhodu sinusni

signal (THD< 0.01%). Ta signal priključimo na vhod merjenega vezja, na izhodu pa merimo

popačenja.

Harmonska popačenja merimo tako, da s selektivnim voltmetrom izmerimo vsako komponento

posebej in nato izračunamo razmerja (zlasti v telekomunikacijah). Za merjenje skupnih

harmonskih popačenj uporabljamo merilnik THD.


22

Merilnik harmonskih popačenj

Merilnik THD deluje tako, da meri najprej skupno efektivno napetost signala, ki ga z internim

ojačevalnikom nastavimo na vrednost 100%. Nato signal priključimo prek pasovnozapornega

filtra (notch), katerega centralno frekvenco lahko spreminjamo. Ko frekvenco filtra nastavimo

na frekvenco signala U1, se skupni signal močno zniža (je minimalen), saj so ostale le višje

harmonske komponente – skupna harmonska popačenja, ki jih pokaže merilnik.

Slika 5.5: Blokovna shema merilnika skupnih harmonskih popačenj

Delovanje in uporaba (opis blokovne sheme)

Merilnik meri napetost, če je preklopnik v položaju merjenje napetosti. Če preklopimo v položaj

referenca 100%, z nastavljivim ojačenjem (stopenjsko in zvezno) lahko na merilniku napetosti

nastavimo odklon 100%. Ob tako nastavljenem merilniku preklopimo na THD (distortion) in

spreminjamo nastavitev zaporne frekvence tako, da dobimo minimalen odklon. Pasovnozaporni

filter je takrat uglašen na osnovno komponento (f1), odklon pa kaže napetost, ki jo imajo višje

harmonske komponente (popačenja). Ker je bil začetni odklon ravno 100%, je odklon kar

merilo popačenja signala (višjeharmonske komponente), ki jih prikažemo kot

popačenje vezaja v %.



23

Šum

Izhod kateregakoli komunikacijskega sistema (linija, radio) vedno vsebuje nekaj nezaželjenih

napetosti ali tokov poleg želenega signala. Ti nezaželjeni signali so poznani kot šum (noise) in

imajo številne vzroke. Vsekakor mora biti moč želenega signala večja od moči šuma za

določeno vrednost, ki je odvisna od narave šuma. Razmerje med želenim signalom in šumom

imenujemo razmerje signal/šum.

Notranja struktura vodnikov

Molekule in atomi stalno nihajo okoli svoje ravnovesne lege. Pri tem sodelujejo tudi elektroni,

zaradi česar lahko pride do tega, da se v nekem trenutku pojavi na enem koncu vodnika več

elektronov kot na drugem koncu. Ta razlika potencialov pomeni neko napetost, ki pa kljub temu

da je zelo majhna, povzroča (slišimo tudi v zvočniku) šum, ki je moteč. Tej napetosti zato

pravimo šumna napetost ali kar šum. Ker le-ta narašča s temperaturo, ga imenujemo tudi

toplotni šum. Za toplotni šum (na vodniku ali uporu) velja enačba:

fRTkU š 4 [V] (5.9)

kjer je:

Uš – šumna napetost v (V)

k – Boltzmanova konstanta ( 1038.1 J/K)

T – absolutna temperatura v (K)

R – upornost vodnika, upora v

f – frekvenčna pasovna širina v (Hz)

Poleg omenjenega toplotnega šuma nastajajo v posameznih elementih še drugi šumi:

Šum ogljenih uporov nastaja zaradi zrnate strukture oglja in je sorazmeren enosmernemu

toku, ki teče skozi upor. Ta šum je mnogo večji od samega toplotnega šuma v uporu.

Šum elektrolitskih kondenzatorjev nastaja zaradi tega, ker tok skozi kondenzator vsebuje

izmenične komponente.

Šum tranzistorja

in drugi.

Kopičenje šuma

Pri izračunu šumne napetosti (toka) pogostokrat določamo efektivno vrednost serijsko vezanih

napetostnih virov šuma oz. paralelno vezanih tokovnih izvorov šuma. V obeh primerih se

trenutni prispevki šumnih izvorov seštevajo.

Zgled: Določimo efektivno vrednost napetosti dveh serijsko vezanih virov šumne napetosti z

amplitudama En1=10V in En2=5V.

Rešitev: 22 510 En =11,2V

Šum

24

Šumni spekter

Pri sinusnih signalih je moč skoncentrirana pri eni frekvenci, moč šumnega signala pa je

porazdeljena po celotnem spektru. Torej moramo pri opazovanju šuma vedno navesti

frekvenčno področje opazovanja, meritve ali izračuna šuma.

Opazovanje in merjenje efektivne šumne napetosti

Običajni instrument za opazovanje šumnih signalov (napetosti in toka) je osciloskop. Prednost

pred drugimi instrumenti je prikaz oblike opazovanega signala. Efektivno vrednost šumne

napetosti izmerimo (ocenimo) na izhodu vezja pri kratko sklenjenem vhodu. Šum ocenimo iz

minimalne in maksimalne amplitude (peak-to-peak) in vrednost delimo s šest:

6

ppUEn [V] (5.10)

Druga možnost je uporaba elektronskega voltmetra, ki lahko prikazuje srednjo ali efektivno

vrednost sinusnega signala. Če elektronski voltmeter prikazuje srednjo vrednost sinusne

napetosti dobimo efektivno tako, da srednjo vrednost pomnožimo z oblikovanim faktorjem

1,11. Povrečno vrednost šumnega signala pa izračunamo tako, da efektivno vrednost

pomnožimo z 0,789.

Določanje razmerja signal/šum (S/N)

Razmerje signal/šum (signal/noise) določimo tako, da šumno napetost Uš =Un izmerimo na

izhodu ojačevalnika takrat, ko je vhod ojačevalnika kratko sklenjen (Uvh=0V). RC generator

(izvor signala) pri merjenju šuma prekinemo.

Slika 5.6: Merilno vezje za merjenje šuma

Razmerje signal/šum izračunamo po enačbi:

š

izh

U

UNS / (5.11)

kjer je:

S/N - razmerje signal šum, brezdimenzijsko število

Šum


25

Uizh - napetost na izhodu merjenca pri priključenem izvoru signala na vhodu (RC generatorju) v (V)

Uš - napetost na izhodu, pri kratko sklenjenem vhodu merjenca, vezja v (V oz V)

Večkrat pa nas zanima podatek S/N v decibelih:

NSU

UdBNS

š

izh /log20log20)(/ (5.12)

Osciloskop

26

6 Elektronski merilni instrumenti in

naprave

Osciloskop - opis

Osciloskop je elektronska merilna naprava za opazovanje enosmernih in izmeničnih napetosti.

Omogoča prikaz časovno spremenljivih sognalov in ima visoko vhodno impedanco.

Osciloskop je najpogosteje uporabljen merilnik v elektroniki. Njegova osnovna lastnost je

prikazovanje dvodimenzionalne slike na zaslonu. Slika nastane s horizontalnim in vertikalnim

odklonom žarka. Osciloskop sestavljajo:

vertikalni kanal (s pripadajočimi gumbi za nastavitev),

horizontalni kanal (s pripadajočimi gumbi za nastavitev),

katodna cev (z napajalnikom),

sklop za sinhronizacijo slike.

Slika 6.1: Načelna shema osciloskopa

Elektronski merilni instrumenti in naprave


27

Vloga vertikalnega kanala

Dvokanalni osciloskop ima dva vertikalna kanala s pripadajočima priključkoma (BNC), tretji

vhod pa se uporablja za (zunanjo) sinhronizacijo. Napetost, ki jo priključimo na vertikalni

kanal, bo povzročila odklon v vertikalni smeri (gor/dol). Odklon žarka od začetne lege (U=0)

merimo v razdelkih (rd). Odklon v vertikalni smeri je lahko 4 rd. Dejansko vrednost napetosti

izračunamo tako, da odklon množimo z odklonsko konstanto ky. Odklonsko konstanto

nastavimo s preklopnikom z oznako (V/div).

Vloga horizontalnega kanala

V horizontalni smeri je odklon žarka tudi sorazmeren napetosti, ki pa jo generira generator

žagaste napetosti. Amplituda te napetosti je taka, da je odklon žarka v horizontalni smeri točno

10 razdelkov (rd). Generatorju žagaste napetosti lahko nastavimo hitrost spreminjanja napetosti

(nagib žagaste napetosti), kar dejansko vpliva na hitrost premikanja žarka na zaslonu. Hitrost

premikanja žarka nastavimo s preklopnikom z oznako TIME/DIV (s/div). Ker se žarek premika

sorazmerno s časom, X-os predstavlja časovno os.

Če želimo opazovati na zaslonu dvodimenzionalno sliko (X-Y graf), lahko drugi CH.II Y-kanal

priključimo na horizontalni kanal (s tipko X-Y) in odklon žarka v horizontalni smeri bo

sorazmeren napetosti v kanalu CH.II - Y2. V takem primeru časovni potek ni prikazan na

zaslonu.

Dvokanalni osciloskop

Dvokanalni osciloskop ima podobno zgradbo kot enokanalni ima pa dodatno vhodno slabilno

in ojačevalno stopnjo ter stikalno vezje. Poenostavljeno blokovno shemo prikazuje Slika 6.2.

Z elektronskim stikalom je izvedena izbira vhodnega signala iz prvega Y1 oziroma drugega

vhoda Y2.

Slika 6.2: Poenostavljena blokovna shema dvokanalnega osciloskopa

Glede na način preklopa vhodnih signalov ločimo:


28

a) Alternativni način (alternate). V tem načinu se izriše signal iz vhoda Y1, nato pa v

naslednjem ciklu še slika iz vhoda Y2. Alternativni način uporabljamo pri opazovanju višje

frekvenčnih signalov.

b) Stikalni način (chopper): Slika na ekranu je sestavljena iz zelo majhnih odsekov signalov

iz vhoda Y1 in Y2. Elektronsko stikalo preklaplja s frekvenco približno f=500kHz, zato je

ta način primeren za opazovanje nizko in srednje frekvenčnih signalov.

Slika 6.3: Način prikaza slike na dvokanalnem osciloskopu: a) alternativni in b) stikalni

Katodna cev oz. zaslon

Sliko vidimo kot sled (točko), ki potuje po površini zaslona. Običajno je gibanje te točke zelo

hitro, zato vidimo celotno sled – žarek. To je možno zaradi posebnega sloja, ki sveti, če ga

zadene snop elektronov. Gibanje sledi je določeno z električnim poljem, ki odklanja žarek.

Celoten zapis na zaslonu je sestavljen iz odklona v vertikalni in horizontalni smeri. Odklon

žarka odčitamo s posebne mreže, ki se nahaja pred/na zaslonu.

Mreža zaslona (Slika 6.4) ima 8 razdelkov – rd (division – div) v vertikalni smeri in 10

razdelkov v horizontalni smeri. Razdelki so razdeljeni še na 5 delov (po 0.2 rd), kar omogoča

natančnejše odčitavanje. Tipično je možno odčitavanje na 0.05 rd natančno. Večja natančnost

je vprašljiva zaradi paralakse, je pa tudi nepotrebna, saj je točnost osciloskopa v razredu 3% do

5%. Rezultat dobimo z množenjem odklona (rd) in odklonske konstante (V/rd) oz. s/rd).

Širina sledi na zaslonu je odvisna od nastavitve ostrine (fokus) žarka. Za natančnejše merjenje

in prikaz poteka je potrebno nastaviti žarek na čim manjšo širino. Delno na širino vplova tudi

svetlost sledi (intenziteta), ki jo nastavimo na spremljivo vrednost.

Merilna sonda


29

Slika 6.4: Ekran-zaslon osciloskopa

Vklop in umerjanje osciloskopa

Preden priključimo katerokoli merilno sondo na merjenca, se vklopi osciloskop. Pred

izklopom pa se najprej odklopijo vse sonde merjenca, zatem osciloskop.

Umerjanje (kalibracija)

Pred vklopom najprej poglej ali so izklopljena vsa stikala. Če niso, jih izklopi. Vsi trije

potenciometri, ki so na preklopnikoma VOLTS/DIV. in preklopniku TIME/DIV., so v

končni levi legi (puščica je vodoravna in kaže v levo). Vsi ostali potenciometri pa so

nastavljeni tako, da je črta nad njimi usmerjena navzgor (srednji položaj). Preklopniki

TV SEP. in TRIG. so v najvišji legi. Sedaj lahko vklopimo osciloskop.

Kadar velikosti merjene napetosti ne poznamo, nastavimo preklopnik VOLTS/DIV. na največjo

vrednost (končni desni položaj). Če bo napetost večja od 200V, priklopimo sondo z delilnikom

10:1, vhod ojačevalnika pa preklopimo v DC režim.

Posebej moramo biti pozorni, da ni vklopljeno X-Y stikalo. Če namreč ni nobenega vhodnega

signala, se na zaslonu pojavi močna svetla pika. Ob večkratnem ponavljanju te napake lahko

zaslon na tem delu pregori (trajna okvara).

Da ima osciloskop čim daljšo življensko dobo, je zaželeno, da se nastavi le takšna osvetlenost,

ki zadostuje dobri vidljivosti. Razen tega se pri večkratnem vklopu osciloskopa v kratkih

časovnih presledkih katoda močno obrabi. Bolje je, da osciloskop deluje dlje časa, če vemo, da

ga bomo kmalu spet potrebovali (npr. čez pol ure).

Umerjanje sonde z napetostnim delilnikom (slabilnikom)

Pri sondah z delilnikom je pomembno, da je impedanca obeh vhodnih impedanc Y-

ojačevalnikov osciloskopa enaka. S tem je izključena možnost popačenja vhodnega signala.

Osciloskop HM 203-7 ima vgrajen generator pravokotnega signala z zelo kratkim časom

naraščanja (<5ns) in frekvenco 1kHz. Ta generator ima dva izhoda: prvi z 0.2Vp-p1% (od vrha

do tal), za umerjanje sond s slabilnikom 10:1; in drugi z 2Vp-p za umerjanje sond 100:1. Te


30

napetosti odgovarjajo 4cm visoki sliki na zaslonu, kadar je preklopnik VOLTS/DIV. na

5mV/cm.

Kalibracija poteka tako, da s plastičnim izvijačem vrtimo trimer-kondenzator, ki se nahaja v

sondi. Na ta način se kompenzira kapacitivnost vhoda ojačevalnika (okrog 30pF).

Opis postopka: Sondo s slabilnikom priklopimo na CH I. Nobeno od stikal se sme biti

vklopljeno. Vhodna povezava ojačevalnika je na DC, preklopnik VOLTS/DIV. se nahaja na

5mV/cm, TIME/DIV pa na 0.2ms/cm. Sondo priklopimo na enega od izhodov pravokotne

napetosti (sonda 10:1 na 0.2Vp-p, sondo 100:1 pa na 2Vp-p) in na zaslonu dobimo eno od

naslednjih slik:

Slika 6.5: Izgled pravokotnega signala za nadkompenzirano, umerjeno in podkompenzirano

sondo.

Umerjamo tako, da vrtimo trimer, dokler ne dobimo srednje slike.

Merilna sonda

Sonde so mehanski sklopi za priključitev osciloskopa na merjeno mesto. Zgrajene so tako, da

omogočajo dostop do poljubne točke v vezju. Sonde morajo biti frekvenčno neodvisni in ne

smejo spremeniti oblike merjenega signala. Najpogosteje zato uporabljamo pasivne sonde, ki

so frekvenčno neodvisne, poceni in enostavne za uporabo.

Pasivne sonde

Sonda 1:1

Slika 6.6: Shema sonde 1:1

Merilna sonda


31

Glava sonde je izvedena tako, da omogoča priključitev na elemente v tiskanem vezju. Ker je

osciloskop asimetričen instrument (priključni sponki nista zamenljivi med seboj), je tudi

priključek sonde asimetričen. Tako je en priključek ozemljen (masa), drugi pa je aktiven. Med

odjemno točko in osciloskopom je koaksialni kabel, ki ima svojo lastno kapacitivnost Cs.

Kapacitivnost koaksialnega kabla je odvisna od zgradbe in znaša od 60 pF/m do 100 pF/m. Na

koncu sonde je BNC konektor, s katerim priključimo sondo na osciloskop. Ko priključimo

sondo 1:1 na osciloskop, jo priključimo k merjencu vzporedno.

Slika 6.7: Shema nadomestnega priključitvenega vezja ob uporabi sonde 1:1

Obremenitev, ki jo čuti merjenec, je:

vRR , sv CCC (6.1)

Impedanca, ki jo priključimo vzporedno k merjencu, znaša:

)(1

)(sv

v

CCRvj

RjZ

,

221 CR

RvZ

v

(6.2)

Rv je vhodna upornost osciloskopa (1M)

Cv je vhodna kapacitivnost osciloskopa (od 15pF do 40pF)

Cs je kapacitivnost sonde (Cs je odvisna od dolžine koaksialnega kabla)

K bremenu vzporedno dodamo še kapacitivnost sonde (približno 100pF). Pri višjih frekvencah

(f>10kHz) postane Xc nižja od Rv in poveča obremenitev merjenca. Posebej previdno je

potrebno meiti v vezjih, ki vsebujejo reaktančne elemente. V takem vezju se spremenita skupna

reaktanca in frekvenčna karakteristika ali resonančna frekvenca. Sonde 1:1 uporabljamo

predvsem pri nizkih frekvencah in v nizkoohmskih tokokrogih. Primerne so tudi za

priključevanje drugih merilnikov (generatorji, EVM, števci frekvence ..)

Sonda 1:10

Kjer je potrebno imeti čim višjo vhodno impedanco, se (običajno) uporabi sonda 10:1. Razlika

je v glavi sonde:

Slika 6.8: Shema sonde 10:1

Merilna sonda

32

Sonda 10:1 ima v glavi nameščen Ri=9M in Ci=10pF do 20pF. Pri tem je najpomembnejše

vedeti, da sonda tvori delilnik napetosti. Ta delilnik sestavljajo.

Slika 6.9: Shema nadomestnega vezja priključka s sondo 10:1

Nadomestno vezje kaže, da imamo impedančni delilnik, ki mora biti kompenziran. Delilno

razmerje sonde 10:1 je o,1. Tako mora biti Ri=9M, kapacitivnost Ci pa nastavimo tako, da

dobimo kompenziran delilnik.

Osciloskopi imajo izvor pravokotnih impulzov, ki jih uporabljamo za kopmenzacijo sonde.

Za kompanziran delilnik velja:

)( svvii CCRCR oz. i

svv

R

CCRCi

)( (6.3)

Sondo kompenziramo tako, da jo priključimo na izvor impulzov in nastavimo kapacitivnost Ci

(trimer) tako, da na zaslonu vidimo pravilne impulze. Ko je sonda kompenzirana je Ci odvisna

od Cv in Cs, zato je ne smemo več spreminjati. Pred vsako meritvijo je najprej potrebna

kompenzacija sonde.

Ko osciloskop priključimo s sondo 10:1 dobimo:

R (priključitvena upornost) = MRR vi 10

C (vhodna kapacitivnost) = )/)( isvsvi CCCCCC

Če upoštevamo pogoj za kompenzacijo, dobimo 9/)( svi CCC

Enačbe kažejo, da se vhodna impedanca poveča na 10-kratno vrednost. Edina slabost je v tem,

da se zniža velikost napetosti na vhodu osciloskopa (zniža se občutljivost). Pri merjenju s sondo

10:1 je potrebno izmerjene rezultate množiti s faktorjem deljenja sonde (10-krat).

Merjenje z osciloskopom


33


Slika 6.10: Merilno vezje za merjenje DC napetosti

Navodilo za merjenje enosmerne napetosti (DC)

Enosmerno napetost, ki jo daje laboratorijski napajalnik, spreminjamo in merimo z

univerzalnim instrumentom-voltmetrom in z osciloskopom.

Merjenje enosmerne napetosti

Najprej vhod preklopimo na GND in z gumbom Y-POS nastavimo žarek v začetno lego yo.

Če polaritete ne poznamo, začetno lego nastavimo na sredino zaslona. Če polariteto

poznamo pa izberemo začetno lego na spodnji polovici, če je merjena napetost pozitivna in

obratno.

Preklopnik ky (delilnik) nastavimo na pričakovano vrednost, položaj mora biti umerjen

(kalibriran CAL), proženje izberemo avtomatsko (AUTO).

Nato vhodni selektor AC/DC/GND preklopimo na DC – enosmerni sklop. Odklon žarka

merimo v razdelkih glede na začetno lego yo. Napetost je pozitivna, če je odklon žarek višje

na zaslonu, kot na začetku. Pazi,da je tipka INV izključena. Vrednost napetosti izračunamo:

)()( rdyrd

VkU yy (6.4)

Navodilo za merjenje izmenične napetosti (AC)

Izvor izmenične napetosti je funkcijski generator. Izberemo sinusno obliko signala s frekvenco

1kHz. Amplitudo signala spreminjamo in merimo z elektronskim voltmetrom in osciloskopom.

Nastavitve osciloskopa:

Najprej nastavimo žarek na sredino zaslona (ni obvezno) in kalibriramo ky, izberemo

proženje AUTO, selektor preklopimo na AC.


34

Na zaslonu dobimo sliko izmeničnega signala, ki mu lahko odčitamo najvišjo vrednost

odklona (Um) V primeru izmeničnih signalov simetrične oblike (sinus, trikot in impulzi)

odčitamo vrednost



35

odklona od vrha do tal Ue (stara oznaka je Uv-v – vrha do vrha, Up-p – peak to peak). Ta

znaša mU2 .

Izračunamo vrednost napetosti )()()( rdyrd

VkVU eye , dobimo 2-kratno amplitudo. Ker

pa nas pri izmeničnem signalu običajno zanima amplituda Um in efektivna vrednost

napetosti U, ju izračunamo iz znanih matematičnih povezav:

;2

em

UU

222

em UUU (6.5)

Slika 6.11: Časovni potek napetosti izmeničnega signala

Slika 6.12: Merilno vezje za merjenje AC napetosti

Pri merjenju napetosti je potrebno izbrati tako odklonsko konstanto ky, da je odklon čim večji

(> 3rd). Pri taki izbiri je odčitavanje natančnejše, zniža se tudi napaka zaradi paralakse.

Navodila in nasveti

1. Napajalnik je potrebno vključiti, enosmerno napetost merimo z univerzalnim merilnikom;

pazi na polariteto in izbiro merilnega dosega (veličino), ki jo meri. Pri Napajalniku

nastavimo tokovno omejitev na 2 in enosmerno napetost na nizko vrednost ~V. Za


36

priključitev izberi eno vezico s črnimi in eno z rdečimi bananami (rdeča je +). Osciloskop

priključi s sondo. Napetost bo pozitivna, če je vroča sponka priključena na + sponko.

Negativno napetost dosežemo tako, da sponki sonde

zamenjamo med seboj, voltmeter pa ostane enako povezan. Po končani meritvi enosmernih

napetosti razstavi merilno vezje, izključi napajalnik in vrni merilnik enosmerne napetosti.

2. Pri merjenje izmenične napetosti izklopi DC offset (NIVO), frekvenco preveri z

osciloskopom. Za merjenje napetosti uporabi EVM, ki ga priključiš s sondo (zadaj so le

izhodi – NE PRIKLJUČUJ). Tako so vzporedno priključeni EVM, osciloskop in FG (na

sponkah zadaj).

Pri obeh meritvah najprej nastavi odklonske konstante na CAL in izberi ustrezne vrednosti

napetosti

Odčitaj odklon kazalca in žarka čimbolj natančno (enak-pravilen zorni kot).

Odklonsko konstanto in merilno območje izberi tako, da je odklon čim večji.

Ne veži generatorja vzporedno z napajalnikom (velik nesmisel)

Začetek dela z osciloskopom: vse tipke so ven, preklopnika v gornji položaj (ali DC),

proženje AUTO

Ob vklopu osciloskopa naj bodo vse tipke v izključeni legi (visoke), vsi palični preklopniki

navzgor, gumbi za nastavitev lege žarka v srednji legi. Najprej ¨poišči¨ žarek (GD), nastavi

ostrino in svetlost, šele nato začni s priključevanjem in merjenjem.

Merjenje napetosti z osciloskopom

Ker je odklon žarka linearno odvisen od vhodne napetosti, je za meritev potrebno le odčitati

odklon žarka y(rd) od začetne lege in pomnožiti z odklonsko konstanto ky (V/rd).

Merjenje periode in frekvence z osciloskopom

Pojem periode

O periodi signala govorimo v primeru pojava, ki se ponavlja po določeni (časovni) zakonitosti.

Taki pojavi so. razna nihanja, oscilacije, kroženje … . Pri takih pojavih lahko govorimo o

(trenutni) fazi, ki pojasnjuje (opisuje) stanje pojava v določenem trenutku. Periodo pojava pa

imenujemo čas, ki preteče med dvema enakima fazama signala. V primeru električnih signalov

je perioda čas, ki preteče med dvema točkama, ko gre signal skozi nič pod enakim kotom

(nagibom).



37

Slika 6.13: Slika periodičnega signala na osciloskopu.

Za merjenje periode izmeničnega signala (napetosti) je osciloskop zelo primeren, saj signal

vidimo. Periodo izmerimo tako, da odčitamo razdaljo (v razdelkih rd) med točkama, kjer signal

seka X-os pod enakim kotom. Periodo izračunamo:

xkxxT )( 21 (6.6)

xk mora biti kalibrirana.

Frekvenca signala je število ponovitev (period) pojava v časovni enoti (n/čas). Za električne

signale uporabljamo enoto Herz (Hz), ki pove število period (nihajev) na 1 sekundo. Če merimo

čas periode v sekundah, potem velja:

)(

1)(

sekTHzf (6.7)

Z osciloskopom merimo le čas (periodo), frekvenco signala izračunamo.

Pri merjenju periode z osciloskopom je natančnost meritve boljša, če izberemo tako časovno

konstanto, da je trajanje periode čim več razdelkov (Xp > 4 rd). Najbolje je periodo meriti v

trenutku, ko gre (sinusni) signal skozi nič, saj je prehod najhitrejši. Strmino prehoda skozi ničlo

lahko povečamo, če ustrezno znižamo ky.

Merjenje faznega kota z osciloskopom


38

Slika 6.14: Merilno vezje za

merjenje faznega kota z

osciloskopom

Merjenje faznega kota iz časovnih potekov

Fazno razliko (kot) določomo tako, da pomerimo časovni interval, ki preteče med trenutkoma,

ko gresta oba signala ob naraščanju ali upadanju skozi nič. Če ta časovni interval merimo z

osciloskopom, ga lahko odčitamo kar v razdelkih X . Nato odčitamo še periodo signala Xp v

razdelkih, kar znaša točno 360. Kazno razliko izračunamo:

X

X p

360 (6.8)

Za merjenje fazne razlike (kota) uporabljamo dvokanalni osciloskop. Na kana Y1 priključimo

referenčni signal u1(t). Signal postane referenčni, če proženje časovne baze nastavimo na kanal

Y1. Na kanal Y2 priključimo signal u2(t) in izmerimo časovno razliko. Ker bomo merili točki,

kjer gresta signala skozi nič, meritev začnemo tako, da oba kanala s preklopnikom priključimo

na maso (GD). Lego obeh žarkov izenačimo na srednji črti zaslona. Nato preklopimo na AC,

da izločimo vpliv enosmerne napetosti. Na zaslonu dobimo sliko:

Slika 6.15: Fazno premaknjena signala u2(t) fazno zaostaja za napetostjo u1(t).



39

Merjenje faznega premika iz prenosne karakteristike uizh=f(uvh)

Za tako merjenje faze potrebujemo dvokanalni osciloskop, ki ga ga uporabimo tako, da na

horizontalni odklon Y2 priključimo signal u2(t) (referenca) in na vertikalni odklon Y1

priključimo signal u1(t). Na zaslonu dobimo sliko:

Slika 6.16: Prenosna funkcija s fazno premaknjenim izhodnim signalom za primer =30 (-

30).

B

Asin

B

Aarcsin (6.9)

Fazni kot iz slike na zaslonu osciloskopa izračunamo:

Slika 6.17: Primeri faznih kotov iz prenosne funkcije

Merjenje lastnosti impulzov

Uvod

Signal impulzne (pravokotne) oblike je zgrajen iz neskončnega spektra frekvenc, ki so

mnogokratniki njegove osnovne frekvence. Če katera komponenta manjka, nima prave

vrednosti. Če se pojavi v napačnem trenutku 8fazni kot), se oblika impulza spremeni (popači):

Slika 6.18: Grafikon vhodnega signala Slika 6.19: Grafikon izhodnega signala


40

Popačenje impulzov je odvisno od frekvenčnih in faznih lastnosti vezja skozi katero se

prenašajo impulzi. Iz oblike izhodnega (popačenega) impulza lahko sklepamo o vrsti vezja, o

njegovi frekvenčni in fazni karakteristiki. Merjenje odziva vezja na impulzno vzbujanje

(impulzni odziv) je zelo primerna oblika testa frekvenčnih lastnosti. Merjenje odziva na

impulzno vzbujanje je zlasti primerno za kontrolo delovanja akustičnih naprav in regulacijskih

sistemov (odziv v časovnem prostoru in stabilnost).

Če na vhod vezja, ki nima idealne frekvenčne in fazne karakteristike, priključimo idealne

(pravokotne) impulze, bomo na izhodu dobili popačen signal.

Slika 6.20: Grafikon impulza in njegovih tipičnih vrednosti

Pri signalih merimo naslednje osnovne lastnosti:

tr je čas naraščanja, v katerem impulz naraste od 10% A0 na 90% A0.

tf je čas upadanja, v katerem impulz upade od 90% A0 do 10% Ao.

ti je čas trajanja impulza, ki preteče od trenutka, ko impulz naraste na 50% A0 pa do trenutka,

ko vrednost upade na 50% A0.

tz je čas zakasnitve (izhodnega) signala, ki ga merimo kot razliko med trenutkom, ko vhodni

signal doseže 50% in trenutkom, ko izhodni signal doseže 50%.

A0 je osnovna vrednost impulza (100%) in jo merimo po pretečenem prehodnem pojavu.

At je temenska vrednost impulza in jo sestavljata A0 (osnovni del).

Ap je prevzpon (prenihaj, overshoot) impulza.

Prevzpon običajno podajamo v % glede na velikost impulza (A0).

100(%)0

0

A

AAAp t ; At=A0+Ap (6.10)

Merjenje lastnosti impulzov z osciloskopom

Za merjenje lastnosti impulzov z osciloskopom potrebujemo dvokanalni osciloskop, ki ima

posebno mrežo na zaslonu.



41

Slika 6.21: Shema zaslona osciloskopa z vrisano skalo med 0% in 100%.

Nastavitev osciloskopa: Časovna baza kx(s/rd) mora biti umerjena. S stopenjsko in zvezno

regulacijo odklonske konstante ky(V/rd) ter nastavitvijo vertikalne lege zapisa (Y-pos)

postavimo impulz tako, da je med 0 in 100% (črtkano). Impulz naj traja vsaj 5 razdelkov (v X-

smeri).

Odčitavanje časov

Čas naraščanja impulza tr odčitamo kot razliko (v rd) od trenutka, ko signal doseže 10% svoje

(osnovne) vrednosti, do trenutka, ko doseže 90% vrednosti.

Čas trajanja impulza ti odčitamo kot razliko (v rd) od trenutka, ko impulz doseže 50%

vrednosti, do trenutka ko pade na 50%.

Čas upadanja signala tf odčitamo kot razliko od trenutka, ko signal pade od 90% vrednosti na

10% vrednosti.

Čas zakasnitve signala tz odčitamo kot razliko (v rd) med trenutkom, ko vhodni signal doseže

50% vrednosti, in trenutkom, ko 50% doseže tudi odziv – izhodni impulz, katerega lastnosti

merimo.

Testiranje elektronskih komponent

42

Prevzpon (overshoot) Ap merimo v razdelkih kot razliko med najvišjo vrednostjo signala At

in A0, ki ga nastavimo na 100%.

Prevzpon se pojavlja le pri vezjih, ki so najmanj 2. reda (npr. člen LC, Slika 6.24). Če na

določeno vezje testiramo tako, da na vhod priključimo impulze, dobimo odziv, ki je značilen

za določeno vrsto vezij.

Slika 6.22: Shema in graf odziva RC-člena Slika 6.23: Shema in graf odziva CR-

člena

Slika 6.24: Shema in graf odziva NF-filtra


Elektronski element priklopimo en kontakt (pin) na pušo, ki se nahaja v pravokotniku z

vpisanim naslovom COMPONENT TESTER (v nadaljevanju CT), ter drugi kontakt na maso

GD. Z vklopom stikala CT se izklopita Y-predojačevalnika in generator časovne baze. Zaradi

tega se lahko nahajajo signali na vseh treh BNC konektorjih (to ne velja edino v primeru, ko

preizkušamo komponento v samem vezju naprave). Vsi preklopniki in potenciometri, razen

INTENS. FOCUS in X-POS so neaktivni. Elektronsko komponento priključimo na tester s

pomočjo navadnih merilnih vezic s pomočjo bananskih vtičev. Po končanem preizkusu lahko

takoj naprej merimo.

Ponavadi so vse naprave zaščitene s zaščitnim vodnikom, ki je ozemljen. Če preizkušamo

element v vezju take naprave, se lahko zgodi, da zaradi dveh mas pride do napačnega preizkusa.

Zaradi tega je potrebno pri takih napravah izvleči vtikač naprave. Elemente, katere

preizkušamo, ne smejo biti pod napetostjo. Kondenzatorji ne smeje biti nabiti.

Da se zaščiti osciloskop oz. tester elektronskih komponent, je zaporedno s CT pušo vezana še

hitra varovalka. Nahaja se v notranjosti ohišja osciloskopa in se sme nadomestiti samo z enako

varovalko (hitra varovalka (F), 5x20mm, 250V, 50mA).

Zgledi merjenja elektronskih komponent z osciloskopom


43

Princip delovanja testerja

Princip testerja je preprost. Iz omrežnega transformatorja (samega osciloskopa) dobimo,

nizkofrekvenčno sinusno napetost, ki je zaporedno vezana z uporom, z druge strani pa na CT

pušo. Sinusna napetost krmoli X-odklonske plošče, padec napetosti na uporu pa Y-odklonske

plošče.

Testiranje upornosti

Če ima merjeni element samo realno vrednost (npr. upor), so faze obeh odklonskih plošč enake

in na zaslonu imamo poševno črto. Ko pa je element v kratkem stiku, se na zaslonu pojavi

navpična črta (celotna napetost je samo na notranjem uporu). Pri prekinitvah ali brez preizkusne

komponente je na zaslonu vodoravna črta. Velikost strmine pri uporih je merilo za ohmsko

vrednost upornosti; na tak način se preizkušajo upori z vrednostjo med 20 in 4.7k.

Testiranje kapacitivnosti in induktivnosti

Kondenzatorji in tuljave (dušilke, navitja, transkormatorska navitja) povzročajo fazno razliko

med napetostjo in tokom, s tem pa tudi med odklonskima napetostma. Na zaslonu tako dobimo

obliko elipse. Dolžina in širina elipse je merilo navidezne upornosti pri omrežni frekvenci. Na

ta način je možno meriti

kondenzatorje med 0.1 in 1000F. Elipsa, ki ima glavno os na X-osi, pomeni visoko impedanco

(majhna C ali velika L). Poševna elipsa pomeni, da ima C veliko izgubno upornost ali upor

vzporedno s kondenzatorjem.

Testiranje polprevodnikov

Pri preizkušanju polprevodnikov se pojavljajo določena karakteristična kolena, ki so napetostno

odvisna in se pojavljajo zaradi prehoda iz prevodnega v zaporno stanje. Notranja napajalna

napetost omogoča, da se vidijo na zaslonu normalne ali obrnjene karakteristike (Zener diodo je

možno meriti, če je pod 12V, glej oscilograme preizkusov). Pri vseh teh meritvah gre za

dvopolne meritve in zaradi tega ni mogoče izmeriti npr. ojačenja tranzistorja. Lahko pa se

merijo diode oz. področja med B-C, B-E in C-E. Zaradi omejitve toka in nizke preizkusne

napetosti nekaj voltov, se lahko preizkusijo skoraj vsi elektronski elementi, pri tem pa seveda

ne pride do uničenja elementa. Omejitev pri tem je preizkušanje elementov z visoko napajalno

napetostjo, npr. diak. Kljub temu pa to ni velika pomankljivost, ker se v primeru okvare

elementu karakteristika zelo spremeni in nam ta podatek nedvoumno pove, da je element v

okvari. Zelo natančne rezultate dobimo, ko okvarjeni element primerjamo s tistim, za katerega

smo prepričani, da ni poškidovan in je istega tipa in vrednosti. Na ta način se lahko zelo hitro

določi: katodni priključek pri diodah in Z-diodah, razlika med n-p-n in p-n-p tranzistorjem ali

pa neznani razpored B-E-C priključkov (glej sliko). Potrebno je paziti na priklop puš. Če se

zmotimo, se slika obrne za 180 glede na središčno točko zaslona.

Pri servisih je potrebno hitro ugotoviti, če je element v okvari ali ne, največkrat če je v kratkem

stiku ali pa je prekinjen.


44

Posebna pozornost velja MOS elementom, ki so zelo občutljivi na statično elektriko. Na zaslonu

se lahko pojavi šum oz. brum, če je odprta baza ali vrata (gate) tranzistorja (občutljiv na dotik

z roko).

Test direktno v vezju

Tega je v številnih primerih možno barediti, vendar oscilogrami niso tako karakteristični zaradi

vzporednih vezav realnih elementov. Posebno velike razlike dobimo pri elementih, ki imajo

nizko impedanco pri omrežni frekvenci. Pri testiranju elementov v vezju je potrebno odklopiti

vse mase BNC-konektorjev merjenca, s čimer se izognemo dvojni masi.

Funkcija in uporaba posameznih gumbov na osciloskopu HAMEG 203-7


45

Funkcija in uporaba posameznih gumbov na osciloskopu

HAMEG 203-7

GUMB FUNKCIJA

(1) POWER On/off – osciloskop vključimo/izključimo, indikator je zelena LED.

(2) INTENS Potenciometer za nastavitev osvetljenosti električnega žarka.

(3) FOCUS Potenciometer za nastavitev ostrine; če je sled žarka zmazana-široka, jo izostrimo s tem

potenciometrom.

(4) TR Trimer za kompenziranje vpliva magnetnega polja zemlje; elektronski žarek mora biti

Vzporeden z vodoravnimi črtami mreže na zaslonu.

(5) X-Y Stikalo za preklop na X-Y način delovanja. Napetost, ki je vhodu CH II sedaj krmili žarek po X osi.

POZOR! Če ni signala na CH II, obstaja nevarnost uničenja zaslona (svetla pika).

(6) X-POS Potenciometer za nastavitev žarka po X osi

(7) HOLD OFF Potenciometer s katerim nastavimo čas med dvema preletoma žarka (čas mirovanja). V primeru

pojavljanja dvojne slike, jo z nastavljanjem časa mirovanja lahko očictimo. Osnovna lega je končni

levi položaj, maksimalno desni položaj pa poveča osnovni HOLD OFF čas za faktor 10.

(8) TRIG. LED Sveti, kadar pride do proženja časovne baze.

(9) TV SEP. Preklopnik za sinhronizacijski separator, ki ga vključimo pri opazovanju TV videosignala. če je na:

OFF - imamo navadno proženje

TV:H – za proženje vrstic

TV:V – za proženje slike

(10) TRIG. Palični preklopnik. Je preklopnik, ki filtrira signal (izbere del), ki ga uporabimo za sinhronizacijo. AC

(10 Hz do 20 MHz), DC (0Hz do 20 MHz), HF (1.5kHz do 20 MHz), LF (0 Hz do 1kHz), ~ je proženje

na omrežni signal (50Hz). Običajno uporabljamo položaj AC ali DC. Uporabo ocenimo glede na

mirovanje slike, želimo čim bolj stabilno.

(11) +/- Stikalo za izbiro prožilnih front:

če ni vklopljeno, proženje proži pozitivna fronta;

če je vklopljeno, proženje sproži negativna fronta.

(12) TIME/DIV Vrtljivi preklopnik. Z njim nastavljamo horizontalno odklonsko konstanto, kx časovno bazo. Dejansko

nastavimo čas, v katerem bo žarek prepotoval 1 razdelek v horizontalni smeri.

(13) CAL Potenciometer. Uporablja se za zvezno nastavljanje med dvema vrednostima časovnih baz. Če je

potenciometer obrnjen v končni desni položaj, se vrednost časovne baze poveča za 2,5-krat. Kadar pa

se umerja, mora biti v končnem levem položaju (kalibriran položaj).

(14) EXT. Če vključimo to stikalo, potem bo slika sinhronizirana s signalom, ki ga priključimo na BNC-vhod.

Če vključimo tipko EXT., na njegov vhod pa ne priključimo signala, potem slika na zaslonu ne bo

sinhronizirana.

(15) TRIG.INP. BNC konektor; na njega priključimo signal za zunanje proženje, pri tem pa mora biti stikalo št.14

vklopljeno.

(16) AT/NORM Če je ta tipka izključena (visoka), se prelet žarka proži avtomatsko (AVTO). Tako imamo žarek (črto)

na zaslonu tudi, če na vhodu ni signala. Če pa priključimo signal, pa se samodejno sinhronizira (slika

miruje). Meritev vedno začnemo z avtomatskim proženjem.


46

(17) LEVEL S tem potenciometrom določimo napetost pri kateri se začne prikaz signala na zaslonu. Če signal

nastavljene vrednosti ne doseže, slike ne bo. Ta potenciometer je aktiven le takrat, ko izberemo

normalno proženje (NORM).

(18) X-MAG*10 S to tipko se poveča ojačenje v horizontalni smeri za 10-krat. Če je preklopnik TIME/DIV (12) v

položaju 1ms/del, bo časovni interval 1ms z vključeno tipko (18) podaljšan na 10 delcev.

(19) CALIBRATOR

0.2V – 2V

Na tej sponki dobimo pravokotne impulze, s katerimi preverimo delovanje vertikalnega kanala. Ta

signal uporabimo za nastavitev (umerjanje) sonde 10:1.

(20) COMPONENT

TESTER

Stikalo z 4mm pušo za vklop testerja elektronskih komponent

(21) Y-POS.I S tem gumbom premikamo lego žarka (gor/dol). Običajno z njim nastavimo začetno lego žarka (črte)

na zaslonu, če na vhodu ni signala (vpliva na kanal Y1),

(22) INVERT (CH.I) Stikalo za invertiranje signala prvega kanala. V kombinaciji s stikalom ADD št.30 lahko dobimo

razliko.

(23) CH I (Vhod Y1) Je priključitveni konektor BNC na katerega priključimo merjeni signal (ta signal povzroča odklon

žarka v vertikalni smeri). Vhodno impedanco sestavljata vzporedno vezana R=1M in C=30pF.

Najvišja dovoljena vhodna napetost znaša 400V. Priključitev signala na osciloskop je asimetrična –

priključka med seboj nista zamenljiva. Zunanja žila je tako priključena na maso (napetost 0V), notranja

žila pa ima potencial proti masi. Ta potencial merimo z osciloskopom. (Ker je ohišje osciloskopa

ozemljeno, hkrati pa predstavlja maso, imajo tudi vsi ostali merilniki prek ozemljitvenega vodnika

določen potencial mase).

(24) MASA Puša 4mm, pomožna masa.

(25) DC-AC-GD Je preklopnik, ki določa način priključitve signala na vhodu v osciloskop. DC je enosmerni sklop, ki

omogoča merjenje enosmernih in izmeničnih signalov. AC je izmenični sklop (prek kondenzatorja),

ki omogoča opazovanje in merjenje samo izmeničnih signalov. GD prekine vhodni signal, vhodni

ojačevalnik priključi na maso (napetost je 0V). Žarek gre v začetno (referenčno) lego. Ta nastavitev je

pomembna za merjenje razlike odklonov.

(26) VOLTS/DIV Je preklopnik, ki določa odklonsko konstanto. Ima nastavitve odklonske konstante ky v razmerju 1-2-

5-10… . Odklonska konstanta vpliva na ojačenje vertikalnega kanala. Če je na vhodu priključena

napetost 1 V in ky= 1V/div, bo odklon žarka na zaslonu 1 razdelek. Če preklopnik nastavimo na

ky=0.5V/div, bo odklon žarka 2 razdelka.

(27) VAR.GAIN Potenciometer za zvezno nastavitev ojačenja po Y-osi, v svoji končni desni legi je ojačenje 2.5-krat

večje. Pri kalibraciji naj bo v osnovnem levem položaju.

(28) CH I/II Tipka, ki določa, kateri kanal bo vplival na odklon žarka na zaslonu, če je tipka DUAL izključena

(visoka). Če je tipka izključena (visoka), je aktiven kanal Y1 (levi vhod), če je tipka vključena (nizka),

je aktiven kanal Y2 (desni vhod).

(29) DUAL Tipka s katero vključimo/izključimo dvokanalno delovanje (prikaz dveh žarkov istočasno).

(30) ADD

(CHOP/ALT)

Če imamo vključeno stikalo DUAL, potem bo žarek risal sled na sledeč način:

CHOP (stialo je vključeno – nizko); delček časa riše kanal Y1 in delček časa kanal Y2. Tak način je

primeren pri prikazovanju enosmernih in nizkofrekvenčnih signalov (do 10 kHz).

ALT (stikalo je izključeno – visoko); en prelet žarka riše sled kanala Y1, naslednji prelet riše sled

kanala Y2. Tak način je primeren za frekvence nad 1kHz. Če je frekvenca signala nizka (pod 50Hz),

lahko vidimo utripanje in preskoke žarka. Če je tipka DUAL izključena in vključimo tipko ADD, bo

vertikalni odklon enak vsoti napetosti, ki sta priključeni na vhodu Y1 in Y2.

(31) VOLTS/DIV Ima enako vlogo kot (26)

(32)VAR.GAIN Ima enako vlogo kot (27)

(33) DC-AC-GD Ima enako vlogo kot (25)



47

(34) MASA Ima enako vlogo kot (24)

(35) CH II Ima enako vlogo kot (23)

(36) INVERT (CH II) Ima enako vlogo kot (22)

(37) Y-POS. II Ima enako vlogo kot (21)

Slika 6.25: Čelna stran osciloskopa HAMEG 203

Elektronski voltmetri (EVM)

48


EVM je merilnik izmenične napetosti. Klasičen (pasiven) izmenični voltmetri je primeren za

merjenje napetosti, ki so višje od 0.5V. Uporabno frekvenčno območje meilnika je do 300Hz.

Za merjenje signalov višjih frekvenc je potrebno uporabiti elektronske voltmetre.

EVM ima vgrajene ojačevalnike, ki mu omogočajo večjo občutljivost, zato lahko merimo

izmenične signale od ~mV do nekaj 100V. Frekvenčno območje signalov je od ~10Hz do nekaj

MHz..Zaradi razdelitve merilnih območij ima EVM na vhodu kompenziran uporovni delilnik,

ki predstavlja vzporedno vezavo upora Rv in kondenzatorja Cv. Običajno je Rv 10M, Cv

5pF. EVM ima frekvenčno odvisno vhodno impedanco. Frekvenčna karakteristika je podobna

karakteristiki osciloskopa.

Slika 6.26: Načelno vezje elektronskega voltmetra

EVM ima tudi usmernik, ki pretvori merjeni signal v enosmerno napetost. Pretvorba je lahko

taka, da je enosmerni signal sorazmeren s srednjo vrednostjo ali amplitudo izmeničnega signala.

Odklon kazalca je sorazmeren enosmerni napetosti (toku), skala pa je umerjena na efektivno

vrednost. Upoštevan je faktor oblike za sinusni signal. V primeru merjenja signalov, ki so

drugačnih oblik, pride do napačnega odčitka. Če je prikaz digitalen, kaže napačno vrednost.

Tabela 6-1: Soodvisnosti Um, U in U pri najpogostejših oblikah signalov.

RAZMERJE SINUS TRIKOT IMPULZ

U/Um 0.707 0.577 1

U /Um 0.638 0.5 1

Um/U 1.41 1.73 1

U /U 0.9 0.866 1

Um/U 1.57 2 1

U/U 1.11 1.155 1

Poseben problem nastane pri merjenju moduliranih signalov in pri merjenju ob motnjah. V

takšnem primeru se izkaže, da so EVM, ki merijo srednjo vrednost (usmerjenega) signala,

mnogo manj občutljivi za motnje. Pri širokopasovnem merjenju nizkih napetosti (reda mV) nas



49

moti šum. Vpliv šuma lahko ugotovimo tako, da izključimo izvor koristnega signala. Če nastane

šum, bo EVM kazal napetost šuma. Če želimo natančno izmeriti koristen signal, mora le-ta

imeti nivo, ki je vsaj za 10dB (3-krat) višji od nivoja šuma. Pri merjenju s širokopasovnim EVM

merilnik zajame in meri vse signale, ki so v frekvenčnem območju delovanja merilnika. Če

želimo meriti le signal določene frekvence ali izmeriti signal v prisotnosti ostalih signalov

(motenj), moramo uporabiti selektiven merilnik. Selektivni merilniki merijo le signale v

določenem (izbranem) frekvenčnem področju. Njihova občutljivost je do ~V, omogočajo pa

merjenje signalov z izbrano frekvenco.

Uporaba decibelov pri merjenju napetosti, moči in razmerij

Večina izmeničnih voltmetrov je opremljena s skalo, ki je umerjena v decibelih (dB). Osnova

za določanje decibelov je razmerje dveh veličin (voltov, vatov, amperov …). Enote decibeli se

nanašajo na razmerje moči:

1

2log10P

PAp (6.11)

Če pa želimo z decibeli opisovati tudi nivoje (moči, napetosti, toka), govorimo o absolutnih

decibelih in dobimo za moč enoto dBm: Po=1mW.

oP

PP log10 (6.12)

Če govorimo o nivoju moči +30dBm, moč znaša 1W. Ker večina merilnikov ne meri moči,

ampak napetosti, izrazijo rezultate v decibelih, ker upoštevajo nazivno upornost. Merilniki so

nastavljeni tako, da kažejo rezultat, ki bi bil na bremenu Ro=600. Napetost, ki bi na 600

bremenu povzročila moč 1mW, je Uo=0.775V. Merilnik bo kazal nivo 0dBm, če bo izmeril

napetost enako 0.775V. Če bo napetost različna od 0.775V, pa bo kazal nivo v dBm:

oU

UP log20 (6.13)

RU

RUP

o

o

2

2

log10 =oU

Ulog20 +

R

Rolog10

(6.14)

Če breme ni 600, moramo upoštevati enačbo, ki upošteva dejansko breme. Močnostni nivo

dBm znaša:


50

Zgledi:

Napetost 1V je V

V

755.0

1log20 = +2.2dBm

Moč 10 mW je mW

mW

1

10log10 =+10dBm

Nivo –10dBm ustreza napetosti: VUU

dBm

o 24494.03166.0775.010775.010 20

10

20

Če imamo podatek +10dB, to pomeni, da je razmerje med dvema signaloma enako +10dB, kar

pomeni:

1

2

1

2 log10log2010P

P

U

UdB , kar pomeni: 12 10PP oz. 12 16.3 UU .

Uporaba merilnika z decibelsko skalo

Običajno imajo merilniki (izmenične) napetosti tudi skalo, umerjeno v dBm, pri čemer imajo

navedeno Ro in Uo, ki je pri večini merilnikov enaka 0.775V. Na taki skali lahko odčitamo

vrednosti med cca. +2dB in –20dB. Ko odčitamo to vrednost s skale, je potrebno rezultat

izračunati iz vsote odčitka in nastavljenega merilnega dosega.

Če na skali instrumenta odčitamo –3dB in je merilni doseg nastavljen na -20dB, potem je

skupen (točen) rezultat: 3dB+(20dB)= 23dB. Če pa bi bil merilni doseg +10dB, je točen

rezultat +7dB.

AC MILIVOLTMETER Good Will GVT-427


51

AC MILIVOLTMETER Good Will GVT-427 (navodila za uporabo)

AC milivoltmeter je merilnik izmenične napetosti. Kazalec kaže efektivno vrednost sinusne

napetosti (URMS). Skalo ima umerjeno še za prikaz v dB in dBm; vrednost 1V kot 0dB (območja

med 90dB do +41dB) in dBm vrednost kot 1mW na 600 (območja med 90 in +43dBm).

GVT-427 je dvokanalni, podobno kot pri osciloskopu in ponuja možnost merjenja na vhodu in

izhodu vezja hkrati.

Tehnične lastnosti :

Specifikacija GTV-427

Merjenje AC napetosti 12 območij: 300V, 1, 3, 10, 30, 100, 300mV, 1, 3, 10, 30 in 100V polni odklon

Območje decibelov 12 območij: -70 do +40dB

Območje skale v dB -20 do +1dB (0dB=1V), -20 do +3dBm (0dBm=1mW [600]

Točnost merjenja

napetosti

v mejah 3% pri polnem odklonu (pri 1kHz)

Faktor popačenja 2% pri polnem odklonu pri 1kHz

Frekvenčno območje od 20Hz do 200kHz, 3%

od 10Hz do 1MHz, 10%

Vhodna upornost približno 1M

Vhodna kapacitivnost 50pF

Maksimalna vhodna

napetost (DC+AC)

300V (za območje 300 - 1V)

500V (za območje 3V – 100V)

Napajalna napetost 110/220V, 50/60Hz

Teža 3.2kg

Uporaba prednje in zadnje strani instrumenta GTV-427

Kaj Opis

(1) skala

(6) (7) Nastavitev ničle na skali instrumenta za kanal 1 (CH1) in kanal 2 (CH2)

(8) (9) Preklopnik za izbiro merilnega območja za kanal 1 in 2

(10) (11)

input

connector

Vhoda za kanal 1 in kanal 2, vhodna konektorja BNC

(12) (13)

output

coonector

Izhoda za CH1 in CH2. Primer uporabe pri predojačevalcih, kjer si lahko priskrbimo

signal s pomočjo teh izhodov. Ko je npr. preklopnik (8) ali (9) na območju 100mV,

je izhodna napetost na izhodu output

(14) Možna je izbira uporabe obeh vhodov hkrati (tipka v nizkem položaju), ali pa ločena

uporaba vhoda CH1 ali CH2.


52

Mode

switch

(15)

Selector

grounding

Ko je je stikalo v zgornjem položaju, sta masi vhodov CH1 in CH2 ločeni od

ozemljitvenega voda (plavajoči vhod) preko upornosti 100k. Ko je stikalo v

spodnjem položaju sta obe masi fizično ozemljeni skupaj z ohišjem.

Selektivni elektronski voltmeter

Pri meritveh v telekomunikacijskih napravah želimo meriti napetosti pri izbranih frekvencah v

ozkem frekvenčnem pasu. Naprave, ki takšno merjenje omogočajo so selektivni elektronski

voltmeteri. Pasovna širina selektivnega V-metra znaša od nekaj Hz do nekaj kHz. Zaradi ozke

pasovne širine ima selektivni V-m nizek nivo šuma in lahko ojačije signale od V navzgor.

Frekvenčno območje selektivnega V-m znaša od nekaj sto kHz do več deset MHz. Lahko jih

uporabljamo za merjenje faktorja popačenj, stopnje modulacije in pri meritveh amplitud v

spektru signala.



53

Slika 6.27: Prednja in zadnja stran AC milivoltmetra GVT-427.

Funkcijski generator HM8030

54

Funkcijski generator

Funkcijski generator je generator izmeničnega signala z različnimi časovnimi poteki. Z njimi

generiramo vhodne testne signale. Signalu, ki ga daje tak generator lahko nastavljamo:

amplitudo (stopenjsko in zvezno),

frekvenco (stopenjsko in zvezno 1-10),

obliko signala (sinus, trikot in pravokotni impulz).

Dodamo mu lahko tudi enosmerno napetost. posamezne nastavitve in preklopi ne vplivajo na

nastavitev drugih. Če spreminjamo frekvenco signala, se amplituda ne spremeni in obratno.

Funkcijski generator je generator signala z notranjo upornostjo 50 in/ali 600. Izhodni signal

je v obeh primerih asimetričen – določen s potencialom mase. Generator napajamo iz omrežja

z napetostjo 230V.

Slika 6.28: Načelno vezje funkcijskega generatorja

Funkcijski generator HM8030

Funkcijski generator HM8030, je vgradni modul merilnega sistema HAMEG. Dodatna funkcija

je prelet frekvence (sweep), ki omogoča nastavitev avtomatičnega spreminjanja izhodne

frekvence.

Funkcija in uporaba posameznih gumbov

GUMB FUNKCIJA

(1)DISPLAY

(LED)

4-mestni, sedemsegmentni prikazovalnik kaže nastavljeno frekvenco (v Hz ali kHz).

(2) WIDTH S tem gumbom nastavljamo širino preleta frekvence (med začetno in končno vrednostjo).

(3) SPEED Z njim nastavljamo hitrost spreminjanja frekvence (med začetno in končno vrednostjo).

(4) FREQUENCY Omogoča zvezno nastavitev frekvence v območju 0,09x do 1,1x izbranega frekvenčnega

območja (dekada). Frekvenčno območje izbiramo s stikaloma (5)

Funkcijski generator


55

Slika 6.29: Čelna stran funfcijskega generatorja HM 8030

(5) PODROČJA S pritiskom na levo tipko () izberemo za eno dekado nižje frekvenčno območje (znižamo

izhodno frekvenco za 10-krat). S pritiskom na desno tipko () izberemo za eno dekado višje

frekvenčno območje (zvišamo izhodno frekvenco za 10-krat). Najvišja dosegljiva frekvenca

je 3 MHz.

(6) SWEEP ON S tem stikalom vključimo prelet frekvence signala. Za normalno delovanje (frekvenca

nastavljiva z gumbom (4), je prelet izključen – tipka (6) je visoka.

(7) OBLIKA

SIGNALA

Svetleča dioda kaže izbrano obliko izhodnega signala. Če sveti LED pod simbolom ~, potem

je izbtan sinusni signal itd. Če ne sveti nobena LED, potem je izmenični signal izključen.

Na izhodu dobimo le enosmerni signal, če je OFFSET vključen s tipko (13).

(8) OBLIKA

SIGNALA

S pritiskom na tipko se premika izbira oblike izhodnega signala. S pritiskanjem te tipke

izberemo želeno obliko signala, ki jo označi tudi ustrezna svetleča dioda.

(9) TRIG.OUTP.

(TTL) konektor

BNC

Na tem izhodu, ki je zaščiten pred krazkim stikom, dobimo impulzni generator s TTL nivoji.

Ta signal je primeren za zunanjo (EXT) sinhronizacijo osciloskopa.

(10) –20dB

(dve tipki)

Z vsako od obeh tipk znižamo izhodno napetost za 10-krat (-20dB). Če sta vključeni obe

tipki hkrati bo izhodna napetost (-20 –20=-40dB) 100-krat nižja. Vklop teh tipk skupaj z

gumbom (14) omogoča nastavitev želene izhodne napetosti.

(11) 50 OUTP.

(konektor BNC)

Je priključek za izhodni signal. Izhodna upornost je 50, najvišja izhodna napetost

(amplituda=Umax) je 20 V.

(12) OFFSET S tem gumbom nastavljamo enosmerno izhodno napetost v območju –5V do +5V

(13) ON Tipka za vklop enosmerne napetosti. Če je vključena (nizka), lahko izhodnemu signalu

dodamo enosmerni signal, ki mu vrednost nastavimo z gumbom (12).

(14) AMPLITUDE S tem gumbom nastavljamo izmenično izhodno napetost. Sprememba napetosti je v

razmerju 1:10.

Napajalnik Good Will GPC-3030D

56

Napajalnik Good Will GPC-3030D (navodila za uporabo)

Napajalnik vsebuje tri ločene napajalnike. Dva imata nastavljivo izhodno upornost, tretji pa ima

izhodno napetost 5V (I 3A). Ostala dva napajalnika (Slika 6.30) sta nastavljiva v napetostnem

območju od 0 do 30V. Največji izhodni tok lahko omejimo na vrednosti od 0 do 3A. Izhoda

lahko s pomočjo vgrajenih stikal povežemo zaporedno(Slika 6.31) ali vzporedno (Slika 6.32)

podvojimo napetost ali tok. Nobena sponka ni povezana na maso, zato je napetost plavajoča.

Priključek mase je povezan z ohišjem, ta pa prek ozemljitvenega vodnika na potencial zemlje

(0V). Kadar je potrebno, lahko z vezavo napajalnikov izvedemo semetrično napajanje (Slika

6.33) el. sklopov (napajanje operacijskih ojačevalnikov, komplementarne končne stopnje, itd.)

Slika 6.30: Neodvisno delovanje napajalnika MASTER in SLAVE

Slika 6.31: Serijsko(zaporedno) povezana izhoda napajalnikov MASTER in SLAVE

omogočta pridobivanje dvojne napetosti (Umax=60V pri Imax=3A)

Slika 6.32: Paralelno (vzporedno) povezana izhoda napajalnikov MASTER in SLAVE

omogočata dvojno tokovno obremenitev (Imax=6A pri Umax=30V)



57

Slika 6.33: Simetrični napajalnik

Opis čelne plošče napajalnika Good Will GPC-3030D

Kaj? FUNKCIJA

(1) POWER Stikalo za vklop/izklop napajalnika

(2)LED

prikazovalnik

Kaže vrednost napetosti glavnega (MASTER) napajalnika.

(3) LED

prikazovalnik

Kaže vrednost napetosti pomožnega (SLAVE) napajalnika.

(4) A/V

switch

Stikalo za preklop med prikazom napetosti ali toka, ki teče ob napajanju izbranega

elektronskega vezja. (za MASTER napajalnik)

(5) A/V

switch

Stikalo za preklop med prikazom napetosti ali toka, ki teče ob napajanju izbranega

elektronskega vezja. (za SLAVE napajalnik)

(6) Nastavitev

napetosti

Z obračanjem gumba potenciometra nastavimo napetost (od 0 do 30V) glavnega

napajalnika. S tem gumbom nastavimo tudi napetost pomožnega (SLAVE) napajalnika, če

izberemo vzporedno ali zaporedno vezavo napajalnih delov (15, 16). Vrednost izbrane

napetosti nam kaže LED prikazovalnik.


58

(7) Nastavitev

napetosti

Z obračanjem gumba potenciometra nastavimo napetost (od 0 do 30V)

pomožnega (SLAVE) napajalnika. Vrednost izbrane napetosti nam kaže

LED prikazovalnik.

(8) Tokovna

omejitev

Z obračanjem gumba potenciometra nastavimo izhodni tok (od 0 do 3A) za

glavni (MASTER) napajalnik. S tem gumbom nastavimo tudi tokovno

omejitev pomožnega (SLAVE) napajalnika, če izberemo vzporedno ali

zaporedno vezavo napajalnih delov (15, 16).

(9) Tokovna

omejitev

Z obračanjem gumba potenciometra nastavimo izhodni tok (od 0 do 3A) za

pomožni (SLAVE) napajalnik.

(10) C.V. (LED) LED sveti, ko glavni napajalnik deluje s konstantno napetostjo. Tak način

delovanja je pri izbiri vzporedne ali zaporedne vezave obeh napajalnikov.

(11) C.V. (LED) LED sveti, ko pomožni napajalnik deluje s konstantno napetostjo.

(12) C.C. (LED) LED sveti, ko glavni napajalnik deluje s konstantnim tokom.

(13) C.C. (LED) LED sveti, ko pomožni napajalnik deluje s konstantnim tokom. Sveti tudi

takrat, ko je izbrano paralelno delovanje.

(14) OVER LOAD

(LED)

LED sveti, ko je izhod 5V-napajalnika preobremenjen (I > 3A).



59

(15) (16)

TRACKING

dve stikali

Stikali omogočata nastavitve:

INDEP: Če sta stikali izključeni (visoki), delujeta oba napajalnika neodvisno. Vsakemu

lahko nastavimo poljubne vrednosti. (slika 4.1)

SERIES: Če je leva tipka (16) vključena, desna (15) pa izključena, sta napajalnika

povezana v serijo. Izhodno napetost obeh napajalnikov nastavljamo z gumbom za

nastavitev napetosti glavnega (MASTER) napajalnika. Zaporedna vezava je narejena

tako, da je (+) sponka (rdeča) pomožnega napajalnika priključena na (-) sponko (črna)

glavnega napajalnika. Izhodno napetost je 2-krat višja. (slika 4.2)

PARALLEL: Če sta obe stikali vključeni (nizki), sta napajalnika povezana vzporedno.

Izhodni sponki sta povezani vzporedno, napetost in tokovno omejitev pa nastavimo z

gumbi pri glavnem napajalniku (MASTER). V tem primeru lahko vsak posamezni

izhod uporabimo kot neodvisen izvor (do 3A), ali pa uporabimo le izhodne spomke

glavnega napajalnika, kjer pa je tok do 6A. (slika 4.3)

(17) +sponka (puša) Priključek s pozitivno napetostjo glavnega napajalnika.

(18) +sponka (puša) Priključek s pozitivno napetostjo pomožnega napajalnika.

(19) GND sponka

(puša)

Priključek vezan na ohišje – masa in ozemljitev

(20) GND sponka

(puša)

Priključek vezan na ohišje – masa in ozemljitev

(21) sponka

(puša)

Priključek z negativno napetostjo glavnega napajalnika.

(22) sponka

(puša)

Priključek z negativno napetostjo pomožnega napajalnika.

(23) sponka

(puša)

Priključek z negativno napetostjo 5V napajalnika.

(24) + sponka

(puša)

Priključek z pozitivno napetostjo 5V napajalnika.

Sita(filtri)

60

Merilnik popačenja HM8027

Slika 6.34: Čelna stran merilnika popačenj HM8027 in opis uporabe gumbov

Merilnik popačenja HM8027


61

7 Sita (filtri)

Uvod

Sita so elektronska vezja, ki omogočajo izločanje enega dela frekvenčnega spektra iz celotnega

spektra vhodnega signala. Drugače povedano: sito je ojačevalnik, katerega ojačenje je odvisno

od frekvence vhodnega signala. Takšna sita se uporabljajo:

za popravo barve zvoka,

poudarjanje ali maskiranje posameznih delov spektra tonskega zapisa,

za akcentuacijo ali deakcentuacijo (equalizing) pri snemanju/reprodukciji ali pri

sprejemanju/oddajanju signala v telefoniji in radijskih komunikacijah,

za optimizacijo razmerja signal/šum pri snemanju na magnetne medije in raznih drugih

oblikah obdelave signala.

Glede na načina delovanja razlikujemo štiri osnovne vrste sit:

nizkoprepustna (angl. low pass filter)

visokoprepustna sita (high pass filter)

pasovnoprepustna sita (band pass filter)

pasovno nepropustna sita (band stop filter

Glede na način realizacije sit jih razdelimo:

pasivna (sestavljena iz pasivnih komponent RLC)

aktivna (sestavljena s pomočjo aktivnega elementa, operacijsi ojačevalnik)

Prva skupina sit ne potrebuje nobenega dodatnega napajanja, druga skupina pa za svoje

delovanje nujno potrebuje napajanje aktivnih elementov.

Pasivna sita

Zgledi pasivnih sit so prikazani na sliki 7.1.

Pasivni filtri so konstruirani z upornostjo (upori), kapacitivnostjo (kondenzatorji) in

induktivnostjo (tuljave). So enostavne izdelave in ne potrebujejo dodatnega napajanja.

Takšnih sit enostavno ne moremo kaskadno povezovati enega za drugim z namenom, da bi

dosegli kompleksnejše filtre (problem vhodne in izhodne upornosti). Problem rešimo z uporabo

aktivnih filtrov.

Bolj ko se frekvenčno območje filtra niža, večji postajajo ti elementi; pri nizkih fekvencah so

induktivnosti že tolikšne, da so izredno nepraktične za realizacijo. Zato se jih pri teh frekvancah

skuša zamenjati z aktivnimi elementi.

Aktivni filtri

Za razliko od pasivnih RLC-filtrov se pri aktivnih uporabljajo samo upori in kondenzatorji v

kombinaciji z enim od aktivnih elementov. Na frekvencah pod 100kHz zahtevajo pasivni filtri

Sita(filtri)

62

visoke vrednosti kapacitivnosti, še posebej pa induktivnosti. Zaradi tega je takšne filtre zelo

nepraktično ali pa celo nemogoče realizirati. Po drugi strani pa je aktivne filtre sila enostavno

realizirati tudi za frekvence, nižje od 1Hz in sicer z uporabo upora in kondenzatorja povsem

navadnih vrednosti. Problem zaključene impedance je pri tem skoraj samodejno rešen, saj imajo

aktivni filtri zaradi načina konstrukcije nizko izhodno in visoko vhodno impedanco.

Prednosti take izvedbe NF filtrov so v nižji ceni in enostavni uglasitvi filtra (trimer

potenciometer). Filtre enostavno kaskadno povezujemo in gradimo filtre višjega reda (večja

strmina). Poleg tega pa se takni filtri lahko zgradijo s spremenljivo kvaliteto Q in spremenljivo

središčno frekvenco f0 . Imajo pa aktivni filtri tudi nekaj pomankljivosti. Zgornja frekvenčna

meja je z nizkocenovnimi OPJ omejena na nekaj 100kH, močni vhodni signali pa lahko

popačijo izhodni signal. Aplikacije filtrov z operacijskimi ojačevalniki so podane na sliki 7.2.

Sita (filtri)


63

Slika 7.1: Zgledi vezav pasivnih sit (filtrov)

NF filter VF filter

Pasovno prepustni filter (Band pass filter)

Slika 7.2: Zgledi aktivnih filtrov

Kondenzatorsko glajenje napetosti

64

8 Merjenje vezij z diodami

Usmerniška vezja

Najpogostejša vezja z diodami so usmerniki. Usmerniki so vezja, ki jih uporabljamo za

pretvorbo izmeničnih signalov ( 0U V) v enosmerne signale. Najpogosteje se usmerniki

uporabljajo v napajalnikih elektronskih naprav, kjer zagotavljajo enosmerno napetost za

delovanje. Za napajanje večinoma uporabljamo omrežno napetost (220V, 50Hz), ki jo nato

usmerjamo in gladimo (tudi reguliramo in stabiliziramo).

Slika 8.1: Funkcija usmernika

Usmerniki se uporabljajo tudi v merilnikih izmeničnih signalov (voltmetri, ampermetri), kjer

uporabljamo indikatorje (IVT), ki imajo odklon sorazmeren enosmerni napetosti (toku).

Poznamo polvalne in polnovalne usmernike:

Polvalni usmerniki

Slika 8.2: Polvalno usmerjanje, brez

glajenja

Če na vhod priključimo izmeničen signal, dobimo na izhodu signal, ki vsebuje le pozitivne (ali

negativne) polovice periode. Povprečna vrednost usmerjene sinusne napetosti znaša:

mm U

UU 318.0

(8.1)



65

Um je amplituda izmeničnega signala.

Polnovalni usmernik

Slika 8.3:

Polnovalno usmerjanje brez glajenja.

Za polnovalno usmerjen (sinusni) signal velja:

mm U

UU 637.0

2

(8.4)

Za delovanje elektronskih naprav potrebujemo napetost, ki se ne spreminja s časom, ampak ima

ves čas konstantno vrednost (f=0). Za doseganje konstantne napetosti se uporablja glajenje

usmerjene napetosti. Glajenje je odstranjevanje izmeničnega dela signala – filtriranje.


Osnova kondenzatorskega glajenja je polnjenje in praznenje gladilnega kondenzatorja. Zaradi

nizke upornosti diode v prevodni smeri, je tok, ki polni kondenzator velik, zato napetost na

kondenzatorju narašča enako kot vhodna napetost, če je ta višja od napetosti na kondenzatorju.

v času, ko je vhodna napetost nižja od napetosti na kondenzatorju, ju (usmerniška) dioda zaprta

(Ud<0). Kondenzator se lahko prazni le preko bremena. Če je vhodni signal sinusne oblike

dobimo sledeč potek:

Ko vhodna napetost (Uvh=Us) narašča, se kondenzator polni (napetost narašča). Napetost

na kondenzatorju doseže najvišjo napetost, ko je Uvh=Um. Napetost na kondenzatorju Uc

je enaka: Uc0=Um-Ud. (Ud0.7V).

Ko vhodna napetost upade, je dioda zaprta (Ud<0), kondenzator se prazni prek bremena.


66

Slika 8.5: Časovni

potek upadanja napetosti

Pri upadanju je časovni potek določen s časovno konstanto.

CRb (8.3)

V času ene časovne konstante , napetost na kondezatorju upade na 37% začetne vrednosti Uc0.

Nadaljni potek gre proti vrednosti nič. V času 5 je napetost le še 0.5%. Pravimo, da je

kondenzator prazen.

Slika 8.6: Slika

usmerjenega in glajenega

signala

Zgleda na sliki 8.6 za a) polvalno in b) polnovalno usmerjen in glajen signal sta precej podobna,

saj je razlika le v času med dvema valoma. Za polnovalni usmerik to pomeni višjo (srednjo)

vrednost in 2-krat nižji brum ob enaki vrednosti , zato se v usmernikih uporablja predvsem

polnovalno usmerjanje. Brum je odvisen od časovne konstante in časa T med dvema valoma.

Pri glajenju napetosti je zelo pomembno, da se v času med dvema polvaloma (<20ms polvalno

in 10ms za polnovalno usmerjanje) napetost na kondenzatorju ne zniža preveč, saj je nihanje

napetosti enako brumu. Časovna konstanta naj bo >> T (T zanaša 10 ali 20 ms). V praksi

izberemo =10T in tako lahko upoštevamo linearni potek praznenja. Za polnovalno usmerjnje

je potem =100ms, padec napetosti v 10 ms pa takrat znaša 10%vrednosti. Napetost bruma je

(skoraj) trikotna napetost z amplitudo Ubrumm=Uc0/2, efektivna napetost bruma pa znaša Ubrum=

32/coU .

CR

t

CocbeUtu

)(

Uc0 je napetost ob začetku praznenja

(8.2)

a)

b)



67

Ob znanih vrednostih Um in Umin lahko časovno konstanto izračunamo (slika 8.6):

minUU

TU

m

m

(8.4)

Valovitost glajene napetosti (ripple)

Je razmerje med efektivno vrednostjo napetosti bruma in srednjo vrednostjo izhodne napetosti.

U

Ur brum (8.5)

Če je valovitost majhna, potem lahko poteke napetosti na kondenzatorju obravnavamo kot

trikotne in velja:

2

minUUU m (8.6)

32

minUUU mbrum

(8.7)

min

min

min

min 58.0)(3 UU

UU

UU

UUr

m

m

m

m

(8.8)

Valovitost lahko izrazimo tudi v [%]:

%100[%] rr (8.9)

r[%] pomeni, kakšen delež izmenične napetosti (Ubrum) predstavlja glede na srednjo vrednost

izhodne napetosti v %.

Glajenje z L in filtrom

68

Glajenje z L filtrom

Slika 8.7: Glajenje z L filtrom

Tuljava ima to lastnost, da se upira spremembam toka, ki teče skoznjo. Če bo skoznjo tekel

valovit tok, se bo tuljava upirala tej valovitosti in jo zmanjševala. Za enosmerno napetost

predtavlja tuljava izredno majhno upornost (samo upornost navite žice). Kondenzator tok, ki ga

je zgladila dušilka (tuljava) še dodatno zgladi. Kondenzator ima v nasprotju s tuljavo za

izmenične tokove zelo majhno upornost, zato bo po glajenju s tuljavo preostala izmenična

komponenta tekla preko kondenzatorja. Ker predstavlja kondenzator za enosmerni tok izjemno

veliko upornost, bo praktično ves enosmerni tok tekel preko bremena. Ub je zato zglajena in

vsebuje zelo majhno izmenično komponento.

Slaba lastnost L-filtra je, da zahteva tuljavo (dušilko), ki je sorazmerno drag element.

Glajenje s filtrom

Slika 8.8: Glajenje s filtrom

Posebno dobro zgladimo usmerjeno napetost, če uporabimo oba filtra zaporedno: kondenzator

in L filter. Takšno vezje zaradi njegove značilne oblike imenujemo filter.

C1 predstavlja glajenje s kondenzatorjem, L in C2 pa L-filter.

Izkaže se, da s takšnim filtrom zmanjšamo vaolovitost pribložno 10-krat. Zaradi visoke cene in

dimenzij ga uporabljamo le v usmernikih za velike moči.

Z kombinacijo L in C gladimo usmerjeno napetost, podobno pa so zgrajene tudi zaščite za

odpravo motenj (strele ipd.) pri napajanju npr. računalničke opreme, telefonov, itd. Uporaba

filtrov je zelo priporočljiva.

Vezja z diodami


69

Vezja z diodami

Pomnoževanje napetosti

V elektroniki se pogosto srečujemo z zahtevo po visoki enosmerni napetosti z manjšo tokovno

obremenitvijo. Takšni primeri so:

preizkuševalci izolacijske upornosti snovi,

osciloskopske in televizijske elektronke ipd.

Zahteve bi lahko rešili s primernim transformatorjem posebnih značilnosti, kar pa bi

predstavljalo visoke stroške. povezane z velikomi dimenzijami takega transformatorja. Zato se

raje poslužujemo pomnoževalnikov napetosti, sestavljenih iz diod in kondenzatorjev.

Značilnosti vezij za pomnoževanje napetosti so:

Izhodna napetost je plavajoča (potencial nima napetosti priti masi).

Kondenzator se polni v vsaki polperiodi ali v vsaki drugi polperiodi.

Pri vseh vezjih mora dioda v zaporni smeri prenesti napetost Ur>2Um.

Usmerniške diode morajo prenesti polnilni tok kondenzatorjev.

Slika 8.9: Delonovo in Villardovo vezje

Delonovo množilno vezje (podvojitveno) vezja

V prvi polperiodi, ko je na anodi diode D1 pozitivna napetost, prevaja torej dioda D1 in polni

kondenzator C1, ki se nabije na amplitudno vrednost izmenične napetosti U2. V naslednji

polperiodi prevaja dioda D2 in polni kondenzator C2, dokler se ne nabije na vrednost U2max.

Na bremenu, ki je vezano vzporedno s kondenzatorjem, je torej vsota padcev napetosti na obeh

kondenzatorjev, to je max22 UUb .

Vezja z diodami

70

Kaskadni generator

Slika 8.10: Kaskadni generator

Ime izvira ir dejstva, da lahko ta usmernik dograjujemoz uporabo Vilardovih vezij, ki jih

vežemo v kaskado. Ko je na točki A pozitiven potencial, prevaja dioda D1 in napolni

kondenzator C1 na vrednost temenske napetosti U2max. V naslednji polperiodi je pozitivni

potencial na točki B, zato prevaja dioda D2, itd.. Na sliki 8.10 zanaša maksimalna vrednost

napetosti na bremenu, ko so vsi kondenzatorji nabiti, Ub=6*U2max.

Če vezje dograjujemo, npr. do napetosti 10kV, postane čas. ki je potreben, da se vsi

kondenzatorji nabijejo občuten (nekaj sekund). Ker moč na bremenu ne more biti večja od moči

transformatorja, bremenski tok upada z naraščanjem napetosti. S kaskadnim generatorjem

napetosti dosegamo napetosti nekaj 10kV. Pri napetosti 40kV pa že lahko pride do preboja.

Dioda mora v zaporni smeri zdržati napetost 2*U2max.

Rezalniki in omejevalniki

Diodo lahko zelo koristno uporabimo za omejevanje (preoblikovanje) napetosti. V ta namen

imamo rezalnike in omejevalnike. Primer uporabe dveh diod za omejevanje napetosti je podan

na sliki 8.11. Napetost na vhodu ne more presegati napetosti večje od 0.7V.

Slika 8.11: Omejevanje napetosti vhodne napetosti pri OPJ

Vezja z diodami


71

Slika 8.12: Zgledi vezij omejevalnikov in rezalnikov

Zaščita elektronskih vezij

Z diodami enostavno zaščitimo elektronska vezja pred napačno izbiro polaritete napajalnega

vira (slika 8.13, zgled a) ter zaščita pred preveliko napajalno napetostjo (zgled b). Prvo se

prepreči z vezavo dveh diod na sponki za priključitev napajalne napetosti, drugo pa z Zenerjevo

diodo.

Slika 8.13: Zaščita z diodami – napajanje operacijskega ojačevalnika

Vezja z diodami

72

9 Ojačevalna vezja

Uvod

Slika 9.1: Vhodne in izhodne veličine ojačevalnega vezja

Spremenljivka na vhodu in izhodu je analogna, zvezna.(slika 9.2)

Vhodne veličina: i, u, (P)

Izhodne veličina: i, u. (P)

Želimo natančno preslikavo vhoda na izhod; pogoj za to je linearna karakteristika.

Slika 9.2: Prenosna karakteristika ojačevalnega vezja.

Osnovni kriterij, da je vezje ojačevalno vezje je, da je ojačenje moči večje od 1:

11

2 P

PAp (9.1)

Ojačevalno vezje je aktivno vezje, ker vsebuje nelinearne aktivne elemente.

V ojačevalnem vezje gre je v bistvu za pretvorbo baterijske moči v želeno obliko.

Ojačevalna vezja


73

Osnovne karakteristike ojačevalnega vezja

Napetostno ojačenje:

1

2

u

uAu , ,0

1

2( uAu

u )2

g

uU

UA 9.2

Tokovno ojačenje:

1

2

1 i

i

i

iA bi 9.3

Če je ojačenje negativno, vezje obrača fazo za 180.

Transkonduktančno ojačenje:

1u

iA bg [

V

mA] 9.4

Transrezistirno ojačenje:

1

2

i

uAr [

mA

V] 9.5

Ojačenje moči:

1

2

P

PAP 9.6

Vhodna upornost:

1

1

i

uRvh [

mA

V] 9.7

Izhodna upornost:

2

2

i

uRizh 0gU 9.8

Pri ojačevalnikih nas zanima:

popačenje zaradi nelinearnih karakteristik

frekvenčna karakteristika

stabilnost ojačevalnika

Ojačevalna vezja

74

Napetostni ojačevalnik

Krmilni signal je napetost; tok zanemarimo (Rvh=).

Izhodni signal je napetost, ki naj je neodvisna od velikosti bremena (to pomeni da breme

napajamo s čistim napetostnim generatorjem).

Idealni napetostni generator:

Au=, Rvh=, Rizh=0

Tokovni ojačevalnik

Idealni tokovni ojačevalnik:

Ai=, Rvh=0, Rizh=

Priključitev bremena na generator napetosti

Neobremenjen generator napetosti ima na priključnih sponkah napetost Ugmax in notranjo

upornost Rg. Ko tak generator obremenimo bo napetost na priključnih sponkah enaka:

bg

bgg

RR

RUU

max 9.9

Slika 9.3: Priključitev bremena na generator napetosti.

Če želimo na bremenu imeti napetost Ugmax, ki jo daje neobremenjen generator, mora biti

upornost generatorja Rg ustrezno nižja od minimalne bremeneske Rb upornosti.

Slika 9.4:

Odvisnost

napetosti na

bremenu od

razmerja

generatorjeve in bremenske upornosti.

Ojačevalna vezja


75

Zgled:

Napetost na bremenu naj bo samo 1% nižja od Ugmax. Poiščimo razmerje med minimalno

bremensko upornostjo in generatorjevo upornostjo!

Rešitev:

max99,0 gg UU

b

g

R

R

1

199,0

bg RR 0101,0

gb RR 99

Priključitev bremena na generator toka

Neobremenjen generator toka daje pri kratkem stiku med priključnima sponkama tok Igmax=Ik

in ima notranjo upornost Rg. Ko tak generator obremenimo, bo tok med priključnima sponkama

enak:

bg

g

ggRR

RII

max 9.5

Če želimo, da teče tok Igmax, ki ga daje neobremenjen generator, mora biti upornost generatorja

Rg ustrezno višja od minimalne bremenske Rb upornosti.

Slika 9.6: Odvisnost toka na bremenu od razmerja generatorjeve in bremenske upornosti.

Ojačevalne stopnje

76

10 Ojačevalne stopnje

Ojačevalna stopnja s bipolarnim tranzistorjem

(Dodatek D7-D14)

Diferencialni ojačevalnik

Osnova tega ojačevalnika temelji na uporabi dveh tranzistorjev z enakimi parametri in ob

uporabi tokovne povratne vezave. Napravimo ga s pomočjo dveh ojačevalnih stopenj. Je eno

najpomembnejših vezij v integrirani tehnologiji v ojačevalnih vezjih (vhodna stopnja). Izhod je

razlika dveh napetosti.

Do diferencialnega ojačevalnika je prišlo, da se zmanjša vpliv sofazne napetosti na vhodni

signal in da se zmanjša drift.

Za en tranzistor velja:

C

mV

T

U BE 21

Pri diferenčnem ojač. se vpliv temperature bistveno zmanjša:

CV

T

UU

T

U

T

U BEBEBEBE /22121

Diferenčni ojačevalnik je najbolj uporabljen enosmerni ojačevalnik, ki kompenzira vpliv

sprememb zunanjih parametrov (temerature, motnje itd.).

Povratne vezave

Splošna povratna vezava je podana na sliki 10.1. Na vhod ojačevalnika pripeljemo signal želene

oblike. Na izhodu ojačevalnika dobimo podoben signal, ki pa je ojačen in lahko fazno

premaknjen. Če signal iz izhoda pripeljemo na vhod, dobimo povratno vezavo. Na sliki 10.1 je

predstavljena pozitivna povratna vezava. Pri negativni povratni vezavi se signal iz povratne

vezave odšteva od vhodnega, zato je ojačenje vezja podano v obliki: 0

0

1 A

AA

. Pri

ojačevalnih vezjih uporabljamo negativno povratno vezavo.

Na izhodu ojačevalnika lahko odvzemamo tok oziroma napetost, na vhodu pa lahko dodajamo

tok oziroma napetost. Tako dobimo osnovne tipe povratnih vezav: napetostno-napetostna,

tokovno- napetostna, tokovno-tokovna, napetostno-tokovna.

Povratno vezavo priključimo na ojačevalnik tako, da ne spremeni pogojev v vezju

77


Slika 10.1: Blokovna shema sistema s povratno vezavo

- faktor povrazne vezave

T – ojačenje odprte zanke, 0AT

F - stopnja povratne vezave, 01 AF

Zgled napetostno-napetostne povratne vezave

Negativna povratna vezava

Zakaj uvedemo negativno p.v.:

da nastavimo (določimo) ojačenje

določimo Rvh, Rizh

zmanjšamo popačenja

dosežemo stabilnost vezja, ojačenja

(Dodatek D14-D15)

Operacijski ojačevalniki

So enosmerni ojačevalniki z diferenčno vhodno stopnjo in z ekstremno velikim ojačenjem.

Delovne lastnosti, karakteristike so določene izključno z zunanjimi elementi v povratni

vezavi. Prvotno so bili namenjeni za opravljanje aritmetičnih operacij.

Ojačevalne stopnje

78

Slika 10.2: Idealni operacijski ojačevalnik

Lastnosti:

Parameter Idealne vrednosti Realne vrednosti

Ojačenje odprte zanke A0 510

Vhodna upornost Rvh() 1M

Izhodna upornost Rizh() 0 100

Pasovna širina B (MHz) 1MHz

Naraščanje Uizh - SR (V/s) 1-1000

Frekvenčna karakteristika in potek faznega kota

Operacijski ojačevalniki so enosmerni ojačevalniki. Največje ojačenje imajo pri nizkih

frekvencah do mejne frekvence, ki je odvisna od tipa ojačevalnika. Mejna frekvenca je določena

s kompenzacijo, ki je lahko izvedena v operacijskem ojačevalniku, ali pa jo moramo dodatno

zgraditi. Kompenzacija je potrebna zaradi oscilacij, ki so posledica parazitnih pozitivnih

povratnih vezav in velikega ojačenja operacijskega ojačevalnika.Amplitudno-frekvenčna

karakteristika in potek faznega kota za operacijski ojačevalnik 741 je podana na sliki 10.3.

Ojačevalne stopnje


79

Slika 10.3: Amplitudno-frekvenčna karakteristika in potek faznega kota za operacijski

ojačevalnik 741.

Pasovna širina

Pasovna širina 8ang. GBP – Gain Bandwidth Product) predstavlja produkt mejne frekvence in

napetostnega ojačenja v tistem delu amplitudno-frekvenčne karakteristike, kjer je ta produkt

konstanten. Na sliki 10.3 je za operacijski ojačevalnik LM 741 produkt GBP konstanten za

frekvence od 10 Hz do 1MHz. in znaša:

GBP= )( mum fAf = tfHzHz 65 101010 10.1

Prenos impulzov – strmina naraščanja izhodne napetosti

Strmina naraščanja izhodne napetosti (SR-Slew Rate) podaja razmerje med spremembo

izhodne napetosti in časovnim intervalom pri tej spremembi, kadar krmilimo ojačevalnik s

stopničnim signalom. SR se ponavadi meri pri napetostnem ojačenju 1. SR je podan:

][s

V

t

USR izh

10.2

Osnovne vezave z operacijskim ojačevalnikom

(Dodatek D-23, D-24)

VAJE V OKVIRU STROKOVNEGA MODULA UEVN se izvajajo v programu

elektrotehnik in potekajo v okviru 72 ur teoretičnega dela in 27 ur praktičnega dela modula.

Ojačevalne stopnje

80

Povzetek

Priročnik podaja strnjen pregled strokovne teorije potrebne za razumevanje izvajanja storitev pri delu

z merilno inštrumenti in opremo v učilnicah za praktični del strokovnih modulov. V uvodu boste našli

vse potrebne napotke za izdelavo poročil o opravljenih vajah. Sledijo poglavja, ki v splošnem opisujejo

meritve sistemov (vezij). Opisani so osnovni pojmi merilne tehnike ter vzroki in vrste pogreškov,

merjenje frekvenčne karakteristike, harmonskih popačenj, šumu in drugih osnovih meritev. Pri meritvah

je kot osnovni instrument uporabljen osciloskop.

Sledi podroben opis navodil (prevod navodil za uporabo) uporabe merilnih instrumentov in opreme, ki

jo boste uporabljali pri vajah. Opisani je osciloskop in sonde, elektronski voltmeter, funkcijski

generator, merilnik popačenj ter napajalnik.

Sledijo osnovna vezja z pasivnimi elementi (sita), vezja z diodami ter ojačevalna vezja in sklopi. Vezja

so zasnovana na enostavnih primerih, vendar pa pridobljene izkušnje meritev lahko razširimo v širše

razumevanje industrijskih elektronskih sklopov, problemov, ki nastajajo v praksi ter pridobivanju novih

idej in zaključkov.

Temeljni teoriji sledi izbor vaj-storitev, ki jih boste izvedli v laboratoriju.

V dodatku so priložene kopije iz Fridorich-ovega priročnika za elektrotehniko. Služi naj vam kot

dodatna pomoč pri pripravi poročil o opravljenih vajah, pisanju komentarjev vaj in razumevanju

rezultatov meritev. Prav tako boste v dodatku našli vse potrebne predloge za risanje oscilogramov,

frekvenčnih karakteristik ter katalognih podatkov osnovnega elektronskega materiala.

Literatura

[1] J.Bartenschlager: Mehatronika, prevod priročnika Fachkunde Mechatronik, Pasadena,

2008.

[2] V. Bego, Mjerenja u elektrotehnici, Tehnička knjiga, Zagreb, 2003.

[3] F. Mlakar, Splošne električne meritve, Elektrotehniški vestnik, Ljubljana, 1999.

[4] N. Grabant, Osciloskopi, skripta za interno uporabo, Velenje, 2003.

[5] A. Orehek, Merilniki in merilne metode v elektroniki, Tehniška založba Slovenije,

Ljubljana, 1998.

[6] H. Rohfling, H. Schmidt, Priročnik za elektrotehniko in elektroniko, Tehniška založba

Slovenije, 1. natis, Ljubljana, 1995, str. 4-3 – 5-31.

[7] M. Solar, Meritve v elektroniki, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in

informatiko, Maribor, 2003.

[8] Dodatek, literatura na spletu avtorja, http://www2.arnes.si/~sspbvrec/

http://www.pasadena.si/knjigarna/?qA=J%2EBartenschlager

http://www2.arnes.si/~sspbvrec/

Kazalo III


Kazalo

1 UVOD V DELO ........................................................................................................................................... 1

Avditorne vaje ................................................................................................................................................ 1 Izvajanje vaj ................................................................................................................................................... 1 Preverjanje znanja ......................................................................................................................................... 1 Varstvo pri delu ............................................................................................................................................. 1

Izvajanje laboratorijskih vaj .......................................................................................................................... 3 Oblika in vsebina poročila laboratorijske vaje .............................................................................................. 4

2 SPLOŠNO O MERJENJU MERILNIKIH IN REZULTATIH MERJENJA ........................................ 6

3 MERILNI SISTEM ..................................................................................................................................... 7

Odprti merilni sistem ..................................................................................................................................... 7 Izvori merilnih signalov ................................................................................................................................. 8 Zaprti merilni sistem ...................................................................................................................................... 9

Avtomatiziran merilni sistem ....................................................................................................................... 10 Osnovne lastnosti merilnega sistema ........................................................................................................... 10

4 POGREŠKI V MERILNI TEHNIKI ....................................................................................................... 11

OSNOVNI POJMI MERILNE TEHNIKE .................................................................................................................... 11

VZROKI IN VRSTE POGREŠKOV ........................................................................................................................... 11 Pogrešek in popravek pri merilih in merkih ................................................................................................ 12 Vzroki za nastanek sistematičnih pogreškov ................................................................................................ 12

Slučajni pogreški .......................................................................................................................................... 13

5 MERITVE LINEARNIH SISTEMOV .................................................................................................... 14

STANDARDNI SIGNALI ....................................................................................................................................... 14 MERJENJE FREKVENČNE KARAKTERISTIKE ........................................................................................................ 15

Bodejev diagram .......................................................................................................................................... 17 Merjenje faznega poteka .............................................................................................................................. 17

HARMONSKA POPAČENJA .................................................................................................................................. 20 Merjenje harmonskih popačenj .................................................................................................................... 21

ŠUM ................................................................................................................................................................... 23

Opazovanje in merjenje efektivne šumne napetosti ...................................................................................... 24 Določanje razmerja signal/šum (S/N) .......................................................................................................... 24

6 ELEKTRONSKI MERILNI INSTRUMENTI IN NAPRAVE .............................................................. 26

OSCILOSKOP - OPIS ............................................................................................................................................ 26

Dvokanalni osciloskop ................................................................................................................................. 27 Vklop in umerjanje osciloskopa ................................................................................................................... 29 Merilna sonda .............................................................................................................................................. 30

MERJENJE Z OSCILOSKOPOM.............................................................................................................................. 33 Navodilo za merjenje enosmerne napetosti (DC) ........................................................................................ 33

Navodilo za merjenje izmenične napetosti (AC) .......................................................................................... 33 Navodila in nasveti ...................................................................................................................................... 35 Merjenje periode in frekvence z osciloskopom ............................................................................................ 36 Merjenje faznega kota z osciloskopom ......................................................................................................... 37 Merjenje lastnosti impulzov ......................................................................................................................... 39 Testiranje elektronskih komponent .............................................................................................................. 42

Ojačevalne stopnje

82

FUNKCIJA IN UPORABA POSAMEZNIH GUMBOV NA OSCILOSKOPU HAMEG 203-7 ............................................. 45 ELEKTRONSKI VOLTMETRI (EVM)..................................................................................................................... 48 AC MILIVOLTMETER GOOD WILL GVT-427 (NAVODILA ZA UPORABO) ...................................................... 51

SELEKTIVNI ELEKTRONSKI VOLTMETER ............................................................................................................. 52 FUNKCIJSKI GENERATOR .................................................................................................................................... 54

Funkcijski generator HM8030 ..................................................................................................................... 54 NAPAJALNIK GOOD WILL GPC-3030D (NAVODILA ZA UPORABO) .................................................................... 56

Opis čelne plošče napajalnika Good Will GPC-3030D ............................................................................... 57

MERILNIK POPAČENJA HM8027 ........................................................................................................................ 60

7 SITA (FILTRI) ........................................................................................................................................... 61

UVOD................................................................................................................................................................. 61 Pasivna sita .................................................................................................................................................. 61

Aktivni filtri .................................................................................................................................................. 61

8 MERJENJE VEZIJ Z DIODAMI ............................................................................................................ 64

USMERNIŠKA VEZJA ........................................................................................................................................... 64

Polvalni usmerniki ....................................................................................................................................... 64 Polnovalni usmernik ..................................................................................................................................... 65 Kondenzatorsko glajenje napetosti .............................................................................................................. 65 Glajenje z L filtrom ...................................................................................................................................... 68

Glajenje s filtrom ...................................................................................................................................... 68 VEZJA Z DIODAMI .............................................................................................................................................. 69

Pomnoževanje napetosti ............................................................................................................................... 69 Delonovo množilno vezje (podvojitveno) vezja ............................................................................................ 69 Kaskadni generator ...................................................................................................................................... 70

Rezalniki in omejevalniki ............................................................................................................................. 70

Zaščita elektronskih vezij ............................................................................................................................. 71

9 OJAČEVALNA VEZJA ............................................................................................................................ 72

Uvod ............................................................................................................................................................. 72

Osnovne karakteristike ojačevalnega vezja.................................................................................................. 73 Priključitev bremena na generator napetosti ............................................................................................... 74

Priključitev bremena na generator toka ....................................................................................................... 75

10 OJAČEVALNE STOPNJE ....................................................................................................................... 76

Ojačevalna stopnja s bipolarnim tranzistorjem ........................................................................................... 76

Diferencialni ojačevalnik ............................................................................................................................. 76 Povratne vezave ........................................................................................................................................... 76

Zgled napetostno-napetostne povratne vezave ............................................................................................. 77 Operacijski ojačevalniki ............................................................................................................................... 77

Osnovne vezave z operacijskim ojačevalnikom ............................................................................................ 79

Documents

1 Uvod v vaje - arnes.si