SVEUČILIŠTE U SPLITU POMORSKI FAKULTET U SPLITU …brod.pfst.hr/~ivujovic/stare_stranice/pdf_zip_word/niksa.pdfMjerenje impedancije u serijskom RLC ... NI ELVIS može se koristiti

SVEUČILIŠTE U SPLITU

POMORSKI FAKULTET U SPLITU

DIPLOMSKI RAD

MJERENJA U SERIJSKOM RLC KRUGU S POMOĆU SUSTAVA NI ELVIS

Nikša Škovrlj

Split, prosinac 2006.

Nikša Škovrlj: MJERENJA U SERIJSKOM RLC KRUGU S POMOĆU SUSTAVA NI ELVIS

ii

REPUBLIKA HRVATSKA

SVEUČILIŠTE U SPLITU

POMORSKI FAKULTET U SPLITU

ZAVOD: Za brodsku elektrotehniku, automatiku i komunikacije

STUPANJ: Stručni, dvogodišnji

KOLEGIJ: Brodska elektrotehnika

KANDIDAT: Nikša Škovrlj

TEMA: MJERENJA U SERIJSKOM RLC KRUGU S POMOĆU

SUSTAVA NI ELVIS

ZADANE TEZE:

1. Opisati sustav NI ELVIS

2. Mjeriti impedancije pojedinačnih trošila i serijskog RLC kruga

3. Pokazati vezu teorijskih vrijednosti s izmjerenima

4. Snimiti frekvencijsku karakteristiku zadanog serijskog RLC kruga

PREDSTOJNIK ZAVODA: MENTOR:

Doc. dr. sc. Radovan Antonić Mr. sc. Igor Vujović


iii

SAŽETAK:

U radu su opisani osnovni elementi i načelo rada edukacijskog laboratorijskog virtualnog

instrumenta (ELVIS). ELVIS se sastoji od radne stanice, prototip ploče, DAQ uređaja i

naprednog softvera. Izvršeno je mjerenje impedancije i frekvencijska analiza parametara u

serijskom RLC krugu. Svaki element kruga je pojedinačno analiziran. Mjerenja impedancije

su izvršena u frekvencijskom rasponu od 0 do 2000 Hz. Svi su dobiveni rezultati priloženi u

okviru rada. Također su svi rezultati prikazani tablično i matematički dokazani.

SUMMARY:

Basic elements and functioning principles of educational laboratory virtual instrumentation

suite (ELVIS) is described in this thesis. Parts of ELVIS are benchtop workstation,

prototyping board, DAQ device and sofisticated software. Measuring of impedance and

frequency analyis of series RLC circuit parametres has been performed. Each element of

circuit has been analyzed for itself. Measuring of impedance has been performed in frequency

range of 0 to 2000 Hz. All results have presented in the results chapter of the thesis. Also all

results have been presented by table and mathematicaly proved.


iv

SADRŽAJ:

1. Uvod 1

2. Pregled DAQ – sustava 2

2.1. Što je DAQ 2

2.2. DAQ hardware 3

2.3. LabVIEW 3

2.4. Virtualna instrumentacija 4

2.5. NI ELVIS pregled 4

3. NI ELVIS pregled 5

3.1. NI ELVIS hardver 6

2.2. NI ELVIS softver 6

4. Pregled hardvera 11

4.1. DAQ hardver 11

4.2. Spajanje signala 19

5. Mjerenje impedancije u serijskom RLC

krugu s pomoću NI ELVIS – a 22

6. Zaključak 37

7. Literatura 38


1

1. UVOD

NI1 ELVIS se sastoji od dvije osnovne komponente, a to su hardver i softver. U hardverski

dio spadaju radna stanica s pripadajućom prototip pločom, DAQ uređaj te kompjuterska

konfiguracija pomoću koje se prikazuju rezultati mjerenja. Softverski dio se sastoji od

programa za pokretanje i rad NI ELVIS-a . Da se pokrene NI ELVIS potrebno je prvo ugraditi

pripadajući DAQ uređaj na matričnu ploču, zatim instalirati program koji podržava rad DAQ

uređaja (NI DAQ-mx) te LabVIEW i konačno NI ELVIS softverski CD koji omogućavaju rad

ELVIS-a. Prilikom instalacije programa dobivenih od proizvođača trebalo je skidati neke

programe s Interneta kao što je LabVIEW 8.2 koji je naprednija verzija od dobivene uz

uređaj.

LabVIEW softver koji se koristi za interakciju s NI ELVIS radnom stanicom i DAQ

uređajem osigurava visoki nivo programske okoline za jednostavnu primjenu sofisticiranog

zaslona i analiziranja kapaciteta zaduženih za virtualnu instrumentaciju, a mogu se koristiti i

drugi programi u tu svrhu.

NI ELVIS može se koristiti u strojarstvu, fizici, biološkim znanstvenim laboratorijima, itd. NI

ELVIS je pogodan za korištenje u znanosti ne samo zbog ugrađenog softvera, već i zbog

oblikovanja signala s pomoću NI ELVIS hardvera. S pomoću NI ELVIS-a moguće je

obavljati većinu laboratorijskih vježbi bez upotrebe stvarnih instrumenata, što omogućava

jednostavnost izvršenja danih zadataka.

NI ELVIS je pogodan za podučavanje osnovnih elektroničkih sklopova u električnoj,

mehaničkoj i biomedicinskoj tehnici. Prednosti NI ELVIS-a su mogućnosti testiranja,

mjerenja i kapacitet čuvanja podataka potrebnih za ovakvo obučavanje. NI ELVIS

instrumenti, kao analizatori, nude instruktorima mogućnost podučavanja naprednih tečajeva u

analiziranju i procesuiranju podataka. U ovom radu su kroz prva tri poglavlja opisane osnovne

postavke i način rada ovog instrumenta. U prvom poglavlju je opisan pregled DAQ2 sustava

sa svim svojim elementima kao što su DAQ hardver i softver itd. U drugom i trećem

poglavlju opisan je pregled NI ELVIS-a kao i detaljni pregled DAQ hardvera. U četvrtom i

zadnjem poglavlju su prikazani rezultati mjerenja impedancije u serijskom RLC krugu te

uspoređeni s izmjerenim. Mjerenja su izvršena pri različitim vrijednostima frekvencije te svi

rezultati prikazani tablično i grafički.

1 National Instruments corp., http://www.ni.com


2

2. PREGLED DAQ – SUSTAVA

2.1. ŠTO JE DAQ ?

DAQ (postupak skupljanja podataka i njihove pretvorbe u strojno obradive signale) sustav

podrazumijeva mjerenje prirodnih pojava. Svijetlo, temperatura, tlak i sila su primjeri

različitih tipova signala koje DAQ sustav može mjeriti. DAQ je proces sakupljanja i mjerenja

električnih signala s pretvarača, te njihovo slanje i upisivanje u kompjuter za obradu. DAQ

može također uključivati i izlaze iz analognih ili digitalnih kontrolnih signala.

Osnovni dijelovi DAQ sustava uključuju sljedeće stavke:

• Pretvornik – uređaj koji pretvara fizikalne fenomene, kao npr. svijetlo, temperaturu,

tlak ili zvuk, u mjerljiv električni signal kao što su npr. napon ili struja.

• Kondicioniranje signala - hardver koji se može spojiti s DAQ uređajem da se signal

pretvori u oblik pogodan za mjerenje, poboljšanje točnosti ili smanjenje buke. U

većini slučajeva kondicioniranje signala uključuje pojačanje, pobuđivanje,

linearizaciju, izolaciju i filtriranje.

• DAQ hardver – hardver koji se koristi za mjerenje, analiziranje i potvrđivanje

podataka.

• Softver - NI aplikacijski softver je dizajniran da omogući lakše kreiranje i

programiranje aplikacija za mjerenje i kontroliranje.

2 Engl. Data acquisition


3

Slika 2.1. Standardni DAQ sustav

NI ELVIS ujedinjuje DAQ hardver i softver, dvije komponente DAQ sustava, u jedan

proizvod.

2.2. DAQ HARDVER

Kako DAQ uređaji koriste električne signale, pretvornici ili senzori moraju pretvarati neke

fizikalne pojave u električni signal. DAQ sustav može također proizvesti električni signal.

Tim signalima može se inteligentno upravljati mehaničkim sustavima ili osigurati pobudu za

mjerenje odziva s pomoću DAQ uređaja. Većina DAQ uređaja sadrži četiri osnovna elementa:

analogni ulaz (AI), analogni izlaz (AO), digitalni ulaz / izlaz (DIO) i brojčanik vremena.

2.3. LabVIEW

LabVIEW je grafički programski jezik, koji se uglavnom koristi za kreiranje testova, mjerenje

i automatske aplikacije. LabVIEW koristi ikone umjesto linija teksta za stvaranje aplikacija.

Za razliku od programa baziranog na tekstu, LabVIEW koristi programiranje na temelju tijeka

podataka, gdje tijek podataka određuje izvršenje. U LabVIEW-u gradi se korisnički vezni

sklop koristeći setove alata i objekata. Korisnički vezni sklop je poznat kao zaslon. Tada se

dodaje kod koristeći se grafičkim prikazivanjem funkcija za kontrolu objekata na zaslonu.

Blok dijagram sadrži taj kod. U nekim slučajevima blok dijagram sliči dijagramu toka.

Virtualni instrument (VI) je LabVIEW program koji modelira fizički izgled i funkcije

stvarnih instrumenata.


4

Fleksibilnost, jednostavnost modela i korištenje programskih mogućnosti s LabVIEW-om

čini ga traženim u vrhunskim fakultetskim laboratorijima. S LabVIEW-om može se brzo

kreirati aplikacije koristeći intuitivno grafičko razvijanje te dodajući vezni sklop trošila za

interaktivnu kontrolu. Znanstvenici i inženjeri mogu koristiti jednostavnost I/O

funkcionalnosti LabVIEW-a kroz analiziranje djelovanja.

LabVIEW se također može koristiti u učionicama za rješavanje čisto analitičkih i numeričkih

zadataka.

2.4. VIRTUALNA INSTRUMENTACIJA

Virtualna instrumentacija se definirana kao kombinacija mjernog i kontrolnog hardvera i

aplikacijskog softvera s industrijski standardiziranim kompjuterskim tehnologijama za

kreiranje korisničkih instrumentiziranih sustava.

Virtualna instrumentacija omogućava idealnu podlogu za razvijanje odgojno nastavnog plana

i provođenje znanstvenih istraživanja. Na tečajevima obrazovnih laboratorija, studenti izvode

različite eksperimente kombinirajući mjerenje, automatizaciju i kontrolu. Alati i sustavi

korišteni u ovim situacijama su fleksibilni i prilagodljivi. U istraživanjima okruženja virtualna

instrumentacija omogućava fleksibilnost koju istraživač mora imati da bi mijenjao sustav pred

nepredviđenim potrebama. Istraživanje i obrazovanje zahtjeva također ekonomičnost

programa.

Da bi se komponente sustava virtualne instrumentacije mogle ponovno koristiti (bez kupovine

dodatnog hardvera ili softvera), virtualna instrumentacija je ekonomičan izbor. Nadalje,

sustavi mjerenja moraju biti fleksibilni kako bi se susreli s budućim proširenjem potreba.

Jednostavnost modela virtualne instrumentacije omogućava jednostavno dodavanje novih

funkcija.

2.5. NI ELVIS PREGLED


5

NI ELVIS hardver osigurava funkcijski generator i promjenjivi izvor napajanja na radnoj

stanici. NI ELVIS LabVIEW SFP3 u kombinaciji s funkcionalnošću DAQ uređaja osigurava

rad sljedećih SFP instrumenata:

• Generator proizvoljnog valnog oblika

• Analizator frekvencije

• Digitalni sabirni čitač

• Digitalni sabirni pisač

• Digitalni multimetar (DMM)

• Analizator promjenjivosti signala (DSA)

• Funkcijski generator (FGEN)

• Analizator impedancije

• Osciloskop

3. NI ELVIS PREGLED

NI ELVIS povezuje hardver i softver u jedan kompletan laboratorijski niz. Ovo poglavlje

omogućava pregled komponenata hardvera i softvera NI ELVIS-a, te otkriva kako ga

koristiti u različitim radnim okruženjima.

3 Engl. Soft front panel (prednja ploča zaslona s pripadajućim virtualnim instrumentima)


6

Slika 3.1. NI ELVIS sustav

1. Kompjutersko pokretanje LabVIEW-a 4. NI ELVIS prototip ploča

2. DAQ uređaj 5. NI ELVIS radna ploča

3. 68-pin E/M serijski kabel

3.1. NI ELVIS HARDWARE

3.1.1. NI ELVIS RADNA STANICA


7

Zajedno, radna stanica i DAQ uređaj, stvaraju kompletan laboratorijski sustav. Radna stanica

omogućava povezanost i funkcionalnost. Kontrolna ploča radne stanice omogućava

jednostavno korištenje upravljačkih dugmadi funkcijskog generatora i promjenjivog izvora

napajanja te osigurava povezanost u formi BNC jednopolnih povezivača NI ELVIS –

osciloskop SFP i NI ELVIS – DMM SFP ( digitalni multimetar ).

NI ELVIS softver upućuje signale u NI ELVIS radnu stanicu između SFP instrumenata. Npr.

može se uputiti izlazni signal funkcijskog generatora prema određenom kanalu DAQ uređaja

i konačno zatražiti podatke na željenom kanalu osciloskopa. Radna stanica također sadrži

zaštitnu ploču da zaštiti DAQ uređaj od mogućih šteta nastalih eventualnim laboratorijskim

pogreškama.

3.1.2. NI ELVIS PROTOTIP PLOČA

Prototip ploča se spaja s radnom stanicom. Ona omogućava prostor za građenje

elektroničkog sklopa te dopušta spajanje potrebno za pristup signala za opću primjenu. Može

se koristiti sustav prototipa ploče zamjenjivog s NI ELVIS radnom stanicom.

3.2. NI ELVIS SOFTWARE

NI ELVIS softver, kreiran u LabVIEW-u, sadrži prednosti virtualne instrumentacije. Softver

uključuje SFP uređaje i LabVIEW za programiranje NI ELVIS hardvera.

3.2.1. SFP UREĐAJI

NI ELVIS je opremljen sa SFP uređajima, kreiranim u LabVIEW-u i izvornim kodom

instrumenta. Izravno se ne može izmijeniti izvršne datoteke, ali se može povećati

funkcionalnost ovih instrumenata izmjenjujući LabVIEW kod. Ovi instrumenti su virtualni

instrumenti (VIS).

TRAKE ZA POKRETANJE INSTRUMENATA


8

NI ELVIS uređaj za pokretanje instrumenata omogućuje pristup NI ELVIS softver uređajima.

Uređaj se pokreće pritiskom na tipku koja odgovara traženom instrumentu. Ako je NI ELVIS

softver ispravno konfiguriran i radna stanica odgovarajuće spojena na DAQ uređaj, sve tipke

bi trebale biti spremne za rad.

Ako postoji problem s konfiguracijom, kao npr. kada je NI ELVIS radna stanica isključena s

DAQ kartice, sve tipke instrumenta su nedostupne, a dostupna opcija je pritisak na

«configure» dugme. Neki instrumenti obavljaju istovremeno operacije koristeći izvore NI

ELVIS hardvera i DAQ uređaja te stoga ne mogu izvoditi program istovremeno. Ako se dva

instrumenta pokreću s preklapajuće funkcije, one se ne mogu izvršiti u isto vrijeme te će NI

ELVIS softver dijagnosticirati kvar opisujući smetnju (konflikt). Instrument s kvarom je

onesposobljen i neće funkcionirati dok se smetnja ne otkloni.

GENERATOR PROIZVOLJNOG VALNOG OBLIKA

Ovaj napredni stupanj SFP instrumenta koristi AO (analog output) kapacitet NI ELVIS-a

(DAC 0 i DAC 1). Također se mogu kreirati različiti tipovi signala koristeći editor za

proizvodnju valnog oblika koji je uključen u NI ELVIS softver.

Kako tipični DAQ uređaj ima dva analogna izlaza, mogu se istovremeno proizvesti dva valna

oblika. Može se birati neprestani izlazni signal ili pojedinačni izlazni signal. Maksimalna

veličina izlaznog signala generatora određena je maksimalnom mjerom nadopune (obnove)

DAQ uređaja povezanog s NI ELVIS hardverom.

ANALIZATOR FREKVENCIJE

Kombinirajući frekvenciju vremenske baze funkcijskog generatora i AI4 kapaciteta DAQ

uređaja, analizator frekvencije je potpuno funkcionalno raspoloživ s NI ELVIS-om. Može se

vidjeti frekvencijsko područje instrumenta u linearnom i logaritamskom prikazu.

DIGITALNI SABIRNI ČITAČ

4 Engl. Analog input (analogni ulaz)


9

Ovaj instrument očitava digitalne podatke s NI ELVIS ulazne digitalne sabirnice DI5. Oba

se mogu kontinuirano očitavati sa sabirnice ili se mogu pojedinačno očitavati.

DIGITALNI SABIRNI PISAČ

Ovaj instrument obnavlja (nadopunjuje) NI ELVIS digitalni sabirni izlazni signal DO6 s

određenog korisnika digitalnog uzorka (oblika, dijagrama zračenja). Ručno se može izrađivati

oblik ili izabrati određene oblike kao npr. linearni porast signala. Ovaj instrument može

kontinuirano zapisivati oblik izlaznog signala ili samo izvršiti zapis određenog dijela izlaznog

signala. Izlazni signal digitalnog sabirnog pisača ostaje zakočen sve dok se instrument ne

ugasi ili pojavi drugi oblik izlaznog signala. Razine napona izlaznog signala NI ELVIS DO

sabirnice su TTL kompatibilne.

DIGITALNI MULTIMETAR (DMM)

Ovaj opće korišteni instrument može izvršiti mjerenja:

• istosmjernog i izmjeničnog napona,

• istosmjerne i izmjenične struje,

• otpora,

• kapaciteta,

• induktiviteta.

DMM se može spojiti s NI ELVIS prototipom ploče ili s pomoću kratkospojnice s pločom

radne stanice.

ANALIZATOR PROMJENJIVOSTI SIGNALA

5 Engl. Digital input (digitalni ulaz)6 Engl. Digital output (digitalni izlaz)


10

Ovaj instrument koristi analogni ulazni signal DAQ uređaja za obavljanje mjerenja te može

kontinuirano obavljati mjerenja ili ih pojedinačno pretraživati. Također, mogu se primijeniti

brojna filtriranja signala.

FUNKCIJSKI GENERATOR ( FGEN)

Ovaj instrument osigurava mogućnost biranja izlaznog signala valnog oblika (pravokutan,

trokutasti, sinusoidalni), selekciju (izbor) amplitude i postavke frekvencije. Instrument nudi

DC postavke regulacijskog odstupanja, frekvencije vremenske baze, amplitudnu i

frekvencijsku modulaciju.

ANALIZATOR IMPEDANCIJE

Ovaj instrument je osnovni analizator impedancije koji mjeri otpor i reaktanciju za pasivne

dvopole na zadanoj frekvenciji.

OSCILOSKOP

NI ELVIS osciloskop SFP ima dva kanala i osigurava skaliranje i položaj ugađanja

(namještanja) dugmadi zajedno s promjenjivom vremenskom bazom. Također može se

izabrati izvor okidnog signala i način postavki. Ovisno o DAQ uređaju spojenom na NI

ELVIS hardver, može se birati između digitalnog ili analognog okidanja. NI ELVIS

osciloskop SFP može se spojiti preko prototipa ploče ili preko BNC konektora sa zaslona

radne stanice.

FGEN ili DMM signali mogu biti interno usmjereni prema ovom instrumentu. Uzimanje

uzorka osciloskopa određeno je maksimumom brzine uzimanja uzorka DAQ uređaja

instaliranog u kompjuter.

DVOŽIČNI I TROŽIČNI STRUJNO-NAPONSKI ANALIZATORI


11

Ovi instrumenti omogućuju spajanje dioda i tranzistora, provjeravanje njihovih parametara te

pregled naponsko-strujnih karakteristika. Dvožični instrument nudi punu fleksibilnost u

postavljanju parametra, kao npr. napona i opsega struje te može računati podatke na datoteci.

Trožični instrument nudi osnovne postavke struje za mjerenje na NPN tranzistorima. Oba

instrumenta imaju kursore za veću točnost mjerenja.

PROMJENJIVI IZVORI NAPAJANJA

S ovim SFP uređajima može se kontrolirati pozitivni ili negativni izlazni signal promjenjivog

izvora napajanja. Negativni izvor napajanja izlaznog signala može biti između -12 i O [V], a

pozitivni izvor napajanja izlaznog signala može biti između 0 i +12 [V].

MOGUĆNOST KALIBRIRANJA NI ELVIS-a

NI ELVIS 2.0 ili kasniji software uključuju mogućnost rekalibracije funkcijskog generatora i

promjenjivih izvora napajanja.

4. PREGLED HARDVERA


12

u ovom poglavlju opisuju se komponente hardvera NI ELVIS-a, uključujući DAQ uređaj,

radnu stanicu i prototip ploču.

4.1. DAQ HARDVER

NI ELVIS je dizajniran za interakciju s NI DAQ uređajima, koji su jako visokih performansi,

multifunkcionalno analogni, digitalni i vremenski usklađivani I/O uređaji. Funkcije koje

podržava DAQ uključuju AI, AO, DIO i vremensko usklađivanje I/O (TIO).

Za korištenje NI ELVIS-a, DAQ uređaji instalirani u kompjuter, spojeni s hardverom moraju

udovoljiti minimumu sljedećih potraživanja:

• 16 analognih ulaznih kanala,

• dva analogna izlazna kanala,

• osam digitalnih ulazno-izlaznih prijenosnih linija,

• dva brojčanika vremena.

4.1.1. KORIŠTENJE DAQ HARDVERA U PREMOSNOM MODU

Komunikacija između NI ELVIS-a i kompjutera odvija se preko osam DIO prijenosnih linija

DAQ uređaja. Komunikacijski prekidač kontrolira usmjeravanje DIO linija u kompjuter. Pri

izvođenju normalnih operacija prekidač je u normalnom modu (načinu rasprostiranja valova) i

DIO linije su usmjerene u NI ELVIS hardver, omogućujući kontrolu softvera. Kada je

prekidač postavljen u bypass (premošćenom) modu svjetlo s LED diode pored prekidača je

upaljeno. Ne postoji mogućnost promjene komunikacije dok se ne upotrijebi NI ELVIS-

Enable Communications Bypass VI (ovlašteni komunikacijski premosnik), istovremeno

prebacujući prekidač u premosni mod. Nakon što se prekidač prebaci i pokrene

komunikacijski premosnik DIO, linije su usmjerene na DI linije na prototipnoj ploči. Kada se

komunikacijski prekidač nalazi u premosnom modu funkcijski generator i promjenjivi izvori

napajanja su dostupni preko ručne kontrole. Brojači AI i AO s DAQ uređaja dostupni su

također. SFP instrumenti upozoravaju kada je komunikacijski prekidač u premosnom modu.

4.1.2. NI ELVIS RADNA STANICA


13

Slika 4.1. Dijagram upravljačke podloge na radnoj stanici

Upravljačka podloga sastoji se od:

• Sustava uključivanja LED (na slici označeno s brojem 1)

• Prekidača uključivanja prototipne ploče (na slici označeno s brojem 2)

• Komunikacijskog prekidača (na slici označeno s brojem 3)

• Upravljanja promjenjivim izvorima napajanja (na slici označeno s brojem 4)

• Upravljačke funkcije generatora (na slici označeno s brojem 5)

• Konektora DMM (na slici označeno s brojem 6)

• Konektora osciloskopa (na slici označeno s brojem 7)

Radna stanica sadrži sljedeće kontrole i indikatore:

• Sustav uključivanja LED - pokazuje kada je NI ELVIS uključen.

• Prekidač uključivanja prototipne ploče - kontrolira napajanje na prototip ploči.

• Komunikacijski prekidač - omogućava rad uređaja u normalnom ili premosnom modu.

Postavljanje omogućava direktan pristup DAQ uređaju DIO linija.

• Upravljanje promjenjivim izvorima napajanja.

Upravljati promjenjivim izvorima napajanja može se preko upravljanja hardverom na radnoj

ploči (ručni način rada) ili upravljanjem preko NI ELVIS SFP promjenjivih izvora napajanja

(softverski mod). Upravljanja opisana u sljedećim dijelovima mogu se koristiti kada su

promjenjivi izvori napajanja u ručnom modu.

Upravljanje negativnog napajanja :


14

• Ručni prekidač - upravlja uvijek kada je negativan izvor u ručnom modu ili softver

modu.

• Dugme reguliranja napona - upravlja izlaznim signalom negativnog izvora. Negativan

izvor izlaznog signala može biti između –12 i O [V].

Upravljanje pozitivnog napajanja :

• Ručni prekidač - upravlja uvijek kada je pozitivan izvor u ručnom modu ili softver

modu.

• Dugme reguliranja napona - upravlja izlaznim signalom pozitivnog izvora. Pozitivan

izvor izlaznog signala može biti između O i +12 [V].

Upravljanje funkcijskim generatorom

Upravljati funkcijskim generatorom može se preko dugmadi i prekidača na prednjoj ploči

radne stanice (ručni mod) ili preko NI ELVIS – SFP funkcijskog generatora (softver mod).

Upravljanja opisana u sljedećim dijelovima mogu se koristiti kada je funkcijski generator u

ručnom modu.

• Ručni prekidač – prebacuje funkcijski generator iz ručnog u softver mod ili obrnuto.

• Izbornik funkcije – odabire koji je tip valnog oblika generiran.

NI ELVIS može proizvesti sinusni, trokutasti i pravokutni valni oblik.

• Amplitudno dugme - pokazuje visinu amplitude proizvedenog valnog oblika.

• Frekvencijsko dugme - postavlja frekvencijsko područje koje funkcijski generator

može proizvesti.

• Dugme za precizno ugađanje frekvencije – obavlja finu regulaciju frekvencije

izlaznog signala funkcijskog generatora.

DMM spojnici

Spajajući različite signale na DMM terminale na prototipu ploče i na DMM spojnike na

upravljačkoj ploči radne stanice, spajaju se ukratko, što može dovesti do oštećenja kruga na

prototipu ploče.

Strujna jednopolna utičnica

HI - pozitivan ulaz za sve DMM funkcije, osim mjerenja napona

LO - negativni ulaz za sve DMM funkcije, osim mjerenja napona.

Naponska jednopolna utičnica

HI- pozitivan ulaz za naponska mjerenja.

LO- negativan ulaz za naponska mjerenja.


15

Spojnici osciloskopa

Spajajući različite signale na terminale osciloskopa na prototipu ploče i na spojnike na

upravljačkoj ploči radne stanice, jednako kao i kod DMM–a, moguće je oštećenje kruga na

prototipu ploče zbog njihovog kratkospojnog spajanja.

• CH A BNC (jednopolna utičnica za kanal A) - ulaz kanala A osciloskopa.

• CH B BNC (jednopolna utičnica za kanal B) - ulaz kanala B osiloskopa.

• Okidač BNC (jednopolna utičnica okidnog sklopa) - ulaz preklopnika osciloskopa.

4.1.3. NI ELVIS ZAŠTITNA PLOČA

NI ELVIS štiti DAQ uređaj instaliran u radnom kompjuteru s pomoću zaštitne ploče

smještene unutar NI ELVIS radne stanice. Ova zamjenjiva zaštitna ploča omogućava

kratkospojnu zaštitu od stranih vanjskih signala. Pomicanjem pokretne ploče omogućava se

brza zamjena dijela koji nije u funkciji sa zamjenskom jedinicom. Komponente na zaštitnoj

ploči mogu se nabaviti kod prodavača elektroničke opreme te se stoga može servisirati

zaštitna ploča bez slanja na popravak.

4.1.4. NI ELVIS PROTOTIP PLOČA

U ovom dijelu opisuje se NI ELVIS prototip ploča i kako je koristiti za spajanje sklopova

preko NI ELVIS-a. Također će se opisati i signali koji se mogu spojiti na NI ELVIS s

prototip ploče te spojnike koje se može koristiti za spajanje. Prototip ploča se spaja s radnom

stanicom sa standardnim PCI spojnikom, tako da se može kreirati korisničke krugove za

interakciju s NI ELVIS-om. Prototip ploča šalje sve signale terminalima (krajnjim uređajima)

NI ELVIS-a za korištenje kroz distributere na obje strane područja ispitne ploče. Svaki signal

ima svoj red, a redovi su grupirani prema funkcijama.


16

1. AI, osciloskop, i programabilna funkcija I/O signalni redovi.

2. DIO signalni redovi

3. Redovi LED dioda

4. D-SUB spojnik

5. Brojač/ vremena, korisnik- oblikovanje I/O, i DC izvori napajanja signalnih redova.

6. DMM, AO, funkcijski generator, korisnik-oblikovanje I/O, promjenjivi izvor napajanja i DC izvori

napajanja signalnih redova.

7. Napajanja LED dioda

8. BNC spojnici

9. Jednopolna utičnica

Slika 4.2. Prototip ploča radne stanice

NAPAJANJE PROTOTIP PLOČE

Prototip ploča pruža napone napajanja od -15 do +15 [V]. Ovi rasponi napona mogu se

koristiti za izgradnju mnogih zajedničkih sklopova.

ZNAČENJE SIGNALA S PROTOTIPA PLOČE

Tablica 4-1 opisuje signale na NI ELVIS prototip ploči. Signali su grupirani prema sekcijama

funkcionalnosti, gdje su locirani na prototip ploči.


17

Tablica 4.1. Značenje signala

IME SIGNALA TIP OPIS

ACH<0..5>+ OPĆENITO AI Kanali analognog ulaznog signala od 0 do 5

(+) - pozitivan diferencijalni ulazni signal

prema AI kanalima.

ACH<0..5>- OPĆENITO AI Kanali analognog ulaznog signala od 0 do 5

(-) - negativan diferencijalni ulazni signal

prema AI kanalima.

AI SENSE OPĆENITO AI Analogni ulazni osjet - referenca za

analogne kanale u neporedbenom

nesimetričnom (NRSE) modu.

AI GND OPĆENITO AI Temeljni analogni ulazni signal

(uzemljenje) referenca temeljnog AI za

DAQ uređaj.

CH<A..B>+ OSCILOSKOP Kanali osciloskopa A i B (+) - pozitivni

ulazni signal za kanale osciloskopa.

CH<A..B>- OSCILOSKOP Kanali osciloskopa A i B (-) - negativni

ulazni signal za kanale osciloskopa.

TRIGGER OSCILOSKOP Okidni signal osciloskopa - okidni signal

ulaznog signala za osciloskop, poredben za

AI GND.

PFI<1..2>PFI <5..7> PROGR. FUNKC. I/O Ulazni signal programibilne funkcije (PFI)

od 1 do 2 i od 5 do 7- programabilne

funkcije I/O DAQ uređaje.

SCANCLK PROGR. FUNKC. I/O Pin 46 spojen na pin pretraživača CLIC.

RESERVED PROGR. FUNKC. I/O Pin 45 spojen s EXTSTORBE pinom serije

E DAQ uređaja ili PFI 10 serije uređaja.

3- WIRE DMM Izvor trožičnog napona za DMM za

mjerenja na tranzistorima.

CURRENT HI DMM Pozitivan ulazni signal za DMM za sva

mjerenja osim mjerenja napona.


18

CURENT LO DMM Negativan ulazni signal za DMM za

mjerenja osim mjerenja napona.

VOLTAGE HI DMM Pozitivni napon – pozitivan ulaz za DMM

voltmetar.

VOLTAGE LO DMM Negativni napon – negativni ulaz za DMM

voltmetar.

DAC<0..1> ANALOGNI IZLAZI Analogni izlaz za kanale 0 i 1 – izlazi

pojačala DAQ uređaja.

FUNC_OUT FUNKCIJSKI

GENERATOR

Izlaz iz funkcijskog generatora.

SYNC_OUT FUNKCIJSKI

GENERATOR

Sinkronizirani izlaz – TTL signal iste

frekvencije kao izlaz funkcijskog

generatora.

AM_IN FUNKCIJSKI

GENERATOR

Ulaz amplitudne modulacije – ulaz u

amplitudni modulator funkcijskog

generatora.

FM_IN FUNKCIJSKI

GENERATOR

Ulaz frekvencijske modulacije – ulaz

frekvencijskog modulatora funkcijskog

generatora.

BANANA<A..D> KORISNIČKI

KONFIGUIRANI I/O

Jednopolna utičnica od A do D – spojnici s

jednopolnom utičnicom.

BNC<1..2>+ KORISNIČKI

KONFIGUIRANI I/O

BNC spojnici 1 i 2 (+) – spojnici s BNC

pinom.

BNC<1..2>- KORISNIČKI

KONFIGUIRANI I/O

BNC spojnici 1 i 2 (-) – spojnici s BNC

pinom.

SUPPLY + PROMJENJIVI

IZVORI NAPAJANJA

Pozitivni izlazni napon od 0 do 12 [V].

GROUND PROMJENJIVI

IZVORI NAPAJANJA

Uzemljenje - uzemljenje prototipa ploče.

SUPPLY - PROMJENJIVI

IZVORI NAPAJANJA

Negativni izlazni napon od – 12 do 0 [V].


19

+ 15 V ISTOSMJERNI

IZVORI NAPAJANJA

Izvor istosmjernog napona

+15 [V] prema referentnom ground signalu.

- 15 V ISTOSMJERNI

IZVORI NAPAJANJA


- 15 [V] prema referentnom ground signalu.

+ 5 V ISTOSMJERNI

IZVORI NAPAJANJA


+5 [V] prema referentnom ground signalu.

DO<0..7> DIO Digitalne izlazne linije od 0 do 7 – izlaz

sabirnice pisača.

WR ENABLE DIO Pokretanje pisača.

LATCH DIO Sklop za pohranjivanje podataka – aktivan

mali signal koji signalizira kada su podaci

spremni na DO<0..7>.

GLB RESET DIO Resetiranje – aktivni mali signal koji se

koristi za resetiranje svih postavki NI

ELVIS-a.

RD ENABLE DIO Aktivni mali signal koji pokazuje da su

podaci pročitani s DI<0..7>.

DI<0..7> DIO Digitalne ulazne linije od 0 do 7 – ulazni

signal za sabirnicu čitača.

ADDRESS<0..3> DIO Adresa linija od 0 do 3.

CTR0_SOURCE BROJAČI Brojač nultog izvora.

CTR0_GATE BROJAČI Brojač nultih vrata.

CTR0_OUT BROJAČI Brojač nultog izlaza.

CTR1_GATE BROJAČI Brojač jedinica vrata.

CTR1_OUT BROJAČI Brojač jedinica izlaza.

FREQ_OUT BROJAČI Pin 1 – spojen s FREQ_OUT pinom na

DAQ uređaju.

LED<0..7> KORISNIČKI

KONFIGUIRANI I/O

LED – ulazi za LED diode.


20

4.2 SPAJANJE SIGNALA

Ovaj dio daje informacije o mogućnostima spajanja signala između NI ELVIS-a i DAQ

uređaja.

4.2.1. VAŽNOST UZEMLJENJA

Budući da su analogni signali diferencijalni točka uzemljenja mora se postaviti negdje u

putanji signala. Sve dok je signal koji se mjeri referentan s jednim od pinova NI ELVIS

uzemljenja mjerenje je ispravno. Ako se mjeri izolirani izvor, kao npr. Baterija, jedan kraj

signala treba biti spojen s NI ELVIS uzemljenjem. Terminali za signale NI ELVIS uzemljenja

smješteni su na nekoliko lokacija na prototip ploči. Svi ovi signali spojeni su zajedno.

4.2.2. SPAJANJE ANALOGNIH ULAZNIH SIGNALA

NI ELVIS prototip ploča ima šest različitih raspoloživih AI kanala - ACH<0..5>. Ovi ulazni

signali direktno su povezani s ulaznim kanalima DAQ uređaja. NI ELVIS također ima dva

pina uzemljenja AI SENSE i AI GND koji su spojeni s DAQ uređajem. Tablica 4-2 prikazuje

kako su ulazni kanali NI ELVISA raspoređeni prema ulaznim kanalima DAQ uređaja.


21

Tablica 4.2 Raspored analognih ulaznih signala

NI ELVIS ulazni kanal DAQ ulazni kanal

ACH0+ AI 0

ACH0- AI 8

ACH1+ AI 1

ACH1- AI 9

ACH2+ AI 2

ACH2- AI 10

ACH3+ AI 3

ACH3- AI 11

ACH4+ AI 4

ACH4- AI 12

ACH5+ AI 5

ACH5- AI 13

AISENSE AI SENSE

AIGND AI GND

DMM strujni naponski ulazi su dostupni na prototipu ploče zajedno s dodatnim terminalom za

mjerenje trožilnih elemenata (tranzistor). Diferencijalni ulazi voltmetra označeni su kao

VOLTAGE HI i VOLTAGE LO. Ostale funkcije DMM-a dostupne su kroz pinove

CURRENT HI i CURRENT LO.

Ulazi osciloskopa, dostupni na prototipu ploče, označeni su kao CH<A..B>+, CH<A..B>-, i

TRIGGER. CH<A..B> su direktno spojeni na kanale DAQ uređaja ACH 3 i ACH 4.

4.2.3. SPAJANJE ANALOGNIH IZLAZNIH SIGNALA

NI ELVIS osigurava pristup dvama DAQ uređajima na DAC0 i DAC1 terminalima. Ovi

kanali se koriste kod NI ELVIS hardvera za generator proizvoljnog valnog oblika. Izlazni

signal na DAQ uređaju je međuspremljen i zaštićen NI ELVIS hardverom.

DC izvori napajanja daju izlazni statički napon ±15 V i +5 V. Pristup funkcijskom generatoru

na prototip ploči uključuje nekoliko dodatnih terminala uz izlazni signal funkcijskog


22

generatora, FUNC_OUT. SYNC_OUT izlazni signal je TTL – kompatibilni vremenski signal

iste frekvencije kao i izlazni valni oblik. AM_IN i FM_IN signali upravljaju amplitudnom

(AM) i frekvencijskom modulacijom (FM). Ovi signali su u funkcijskoj vezi s upravljanjem

finom frekvencijom i amplitudom na radnoj ploči.

Promjenjivi izvori napajanja osiguravaju ugađanje napona izlaznog signala od 0 do +12 V na

izvoru terminala. Pin uzemljenja omogućava povezivanje na isto uzemljenje DC izvora snage.

4.2.4. SPAJANJE DIGITALNIH I/O SIGNALA

NI ELVIS osigurava sabirnicu digitalnog ulaznog signala (DI) i digitalnog izlaznog signala

(DO). Sabirnice ulaznog i izlaznog signala su 8-bitne sabirnice koje su upravljane NI ELVIS-

om dok je u softverskom načinu rada. Kada se komunikacijski prespojnik premjesti u mod

premošćenja, DI<0..7> biva direktno povezan s digitalnim linijama DAQ uređaja.

DO<0..7> su digitalni izlazni signali NI ELVIS-a na prototip ploči. Izlaz logičke sabirnice je

+5 V TTL za visoku razinu i 0 V TTL za nisku razinu. DI<0..7> su digitalni signali ulaznog

signala NI ELVIS sa prototip ploče. Minimalni napon za logičku visoku razinu je 2.0 V.

Maksimalan napon za nisku razinu je 0.8 V. Kada je u ručnom modu, logička visoka i niska

razina ovise o DAQ uređaju. Adresna sabirnica je 8-bitna sabirnica koja se koristi za

komunikaciju na prototipu ploče. Neka zajednička korištenja adresnih linija su digitalne

kontrolne linije za prijenosne releje, multipleksore ili jednostavno, kontrolne linije niske

struje.

Prototip ploča osigurava pristup brojaču ulaznih signala DAQ uređaja, koji su također

pristupačni preko softvera. Ovi ulazni signali korišteni su za brojenje TTL signala i rubne

detekcije. Signal FREQ_OUT ekvivalentan je FREQ_OUT signalu DAQ uređaja.

Prototip ploča osigurava nekoliko različitih korisničko oblikovanih konektora: četiri

jednopolne utičnice, dva BNC konektora i dva SUB konektora. Svaki pin konektora ima vezu

s distribucijskim zonama na prototip ploči.

Osam LED dioda brinu se za općeniti digitalni izlazni signal. Anoda svake LED diode

povezana je s distribucijskom zonom preko otpornika od 220 Ω i svaka je katoda povezana s

uzemljenjem.


23

5. MJERENJE IMPEDANCIJE U SERIJSKOM RLC KRUGU SPOMOĆU NI ELVIS-a

Cilj rada je izvršiti mjerenja u serijskom RLC krugu s pomoću NI ELVIS SFP virtualnih

instrumenata kao što su DMM (digitalni multimetar) i analizator impedancije (Impedance

Analyzer). Najprije će se pojedinačno izmjeriti vrijednosti upotrebljenih elemenata te ih

usporediti s naznačenim. Elementi upotrebljeni u ovoj vježbi su nominalnih vrijednosti:

1. otpornik – R = 1 kΩ

2. kondenzator – C = 2.2 μF

3. zavojnica – L = 1.2 mH / 0.37 A

Slika 5.1. Mjerenje otpora s pomoću DMM-a

Na slici 5.1. vidi se da je rezultat mjerenja otpornika s pomoću DMM-a približno jednak

vrijednosti otpora naznačenog na otporniku te se u daljnjem razmatranju može zanemariti ovo

malo odstupanje.


24

Slika 5.2. Mjerenje kapaciteta kondenzatora s pomoću DMM-a

Na slici 5.2. vidi se da je izmjereni kapacitet približno jednak naznačenoj vrijednosti na tijelu

kondenzatora. U daljnjem razmatranju može se uzeti u obzir naznačena vrijednost kao

relevantan podatak.

'

Slika 5.3. Mjerenje induktiviteta s pomoću analizatora impedancije


25

Na slici 5.3. koja je dobivena korištenjem impedancije analyzer-a točno se vide vrijednosti

radnog otpora, vrijednosti reaktancije, fazni kut između njih i njihova amplituda. Nazivne

vrijednosti mjerenog induktiviteta su 1.2H/0.37A. Budući da je izmjeren kapacitivni otpor od

7.75 kΩ iz toga se može izračunati vrijednost induktiviteta i usporediti ga s naznačenom

vrijednosti.

HLHz

kL

LfXL

kXR

kZ

L

L

234.1100014.32

75.72

?94.85

75.799,563

78,7

=××

Ω=

×××==

°=Ω=Ω=Ω=

π

ϕ

Slika 5.4. Mjerenja kapaciteta s pomoću analizatora impedancije

Na ovoj slici vidi se odnos otpora unutar kondenzatora nazivne vrijednosti 2.2 µF. Uočava se

da postoji radni otpor i negativna reaktancija koji međusobno zatvaraju neki kut. Može se


26

izračunati kapacitet kondenzatora na osnovu dobivenih rezultata. Kondenzator nije idealan,

već sadrži i radni otpor.

FCHz

C

CfX

XR

Z

C

C

µ

π

ϕ

295.238.69100014.32

12

118.8738.69

42.347.69

=Ω×××

=

×××=

°−=Ω=

Ω=Ω=

Slika 5.5. Mjerenje otpora s pomoću analizatora impedancije

Na gornjoj slici se vidi rezultat mjerenja otpornika s pomoću analizatora impedancije. Fazni

kut gotovo jednak nuli te se može smatrati da se radi o čistom otporniku čija se izmjerena

vrijednost malo razlikuje od nazivne vrijednosti koja iznosi 1 kΩ.

Ω= kR 998.0


27

Slika 5.6. Primjer upotrebe osciloskopa

Na slici 5.6. se vidi rezultat mjerenja napona s pomoću osciloskopa.

Sljedeće slike prikazuju vrijednosti radnog otpora, negativne i pozitivne reaktancije te fazni

kut između napona i struje u serijskom RLC krugu pri različitim vrijednostima frekvencije.

Frekvencija se mijenja u rasponu od 0 do 2000 Hz.


28

Slika 5.7. Rezultat dobiven pri f = 0 Hz

Sa slike se vidi da je fazni kut nešto manji od - 90˚ pri frekvenciji od 0 Hz. Razlog odstupanja

faznog kuta je zbog toga što kondenzator nije čisto kapacitivno trošilo već ima i mali radni

otpor što se vidi iz slike 5.4.

Slika 5.8. Rezultat mjerenja pri f=10Hz


29




30




31




32

Skika 5.15. Rezultat mjerenja pri f=1500Hz


Sa ovih slika se vidi da se s povećanjem frekvencije mijenja i fazni kut između napona i struje

i to u rasponu od približno -90o do približno +90o . Fazni kut nikada ne dostiže ove krajnje

vrijednosti zbog neidealnosti upotrebljenih elemenata. Zavojnica i kondenzator nisu čisto

induktivna ili kapacitivna trošila već posjeduju i radni otpor. Pri frekvenciji od približno 96


33

Hz serijski RLC krug je u rezonanciji odnosno kapacitivni i induktivni otpori su jednaki te je

ukupan otpor u krugu jednak radnom otporu. U tom trenutku je struja u krugu maksimalna i

ograničena je jedino s radnim otporom trošila.

LLL jXRZ +=

CCC jXRZ −=

CL ZZRZ ++=

( ) ( )XcXjRRRZ LCL −+++=

( )Ω+=

Ω−×+++=

62.768041.1565

83.691075.742.399.563998 3

jZ

jZ

Hzf

f

HFf

CLf

CfLfjZ

44165365.9623.12.2102

1234076.11016.22090702

1

12

212998

0

30

120

0

=××××

=

××××=

×=××

×××

−×××+=

−

−

π

π

π

ππ

Tablica 5.1. Ovisnost impedancije i faznog kuta o frekvenciji

f(Hz) 0 10 20 50 100 200 500 1000 1500 2000

R(kΩ) 1.04 1.06 1.05 1.05 1.07 1.08 1.19 1.62 2.17 2.99

X(kΩ) -17.03 -7.25 -3.47 -1.08 1.086 1.24 3.76 7.66 11.61 15.63

Z(kΩ) 17.06 7.33 3.63 1.51 1.07 1.64 3.94 7.83 11.71 15.91

ϕ(°) -86.49 -81.65 -73.25 -46,65 5.83 48.76 72.49 78.05 79.33 79.18


34

Slika 5.17. Odnos impedancije i frekvencije u RLC krugu

Slika 5.18. Odnos faznog kuta i frekvencije u RLC krugu


35

Slika 5.19. Odnos djelatnog otpora i frekvencije u RLC krugu

Slika 5.20. Odnos reaktivnog otpora i frekvencije u RLC krugu


36

Slika 5.21. Odnos impedancije i frekvencije u RLC krugu

Slika 5.22. Odnos reaktivnog otpora i frekvencije u RLC krugu


37

Slika 5.23. Odnos djelatnog otpora i frekvencije u RLC krugu

Slika 5.24. Odnos faznog kuta i frekvencije u RLC krugu


38

6. ZAKLJUČAK

Koristeći se NI ELVIS-om pri izradi ovog rada uvidjele su se sve prednosti i dobre strane

ovog uređaja pri radu u elektroničkim laboratorijima u odnosu na klasične stvarne

instrumente. Neke od tih prednosti su jednostavnost u radu (naravno kada se savlada vještina

korištenja NI ELVIS-a), brzina, multifunkcionalnost, ekonomičnost i točnost u radu.

Zahvaljujući svojoj hardverskoj i softverskoj konfiguraciji omogućava spajanje različitih

elektroničkih krugova na prototip ploči radne stanice te njihovo analiziranje uz pomoć

kompjutera i naprednog softvera. Zbog svoje univerzalnosti NI ELVIS omogućava postizanje

visokog stupnja točnosti prilikom mjerenje i analiziranja.

S ekonomskog gledišta, koje je uvijek jedan od bitnijih faktora NI ELVIS je također u

prednosti pred dosad korištenim instrumentima, jer objedinjuje svojstva i funkcije velikog

broja drugih instrumenata.

Analizirajući rezultate dobivene korištenjem NI ELVIS-a u ovoj vježbi vidi se da rezultati

RLC kruga nisu čisto omski, induktivni ili kapacitivni otpori već su kombinacija nekih od

ovih otpora. Vidi se da se rezonantna frekvencija dobivena mjerenjem podudara s

frekvencijom dobivenom matematičkim putem. Mala odstupanja u rezultatima dobivena

računskim putem, odnosno mjerenjem, su rezultat neidealnosti upotrebljenih elemenata.


39

LITERATURA

(1) Paton, B., Dalhousie University, Intruducion to NI ELVIS, March 2004 Edition / Part

Number 323777B – 01

(2) NATIONAL INSTRUMENTS, LabVIEW 7 Express, April 2003 Edition / Part Number

350777B – 01

(3) NATIONAL INSTRUMENTS, NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite

(NI ELVIS), User Manual, September 2005 / 323363C – 01

(4) NATIONAL INSTRUMENTS, VI Logger / Getting Started with VI Logger, May 2003

Edition / Part Number 322821B – 01

(5) Kuzmanić, I., Krčum, M., Osnove brodske elektrotehnike i elektronike, Split, 1996. / isbn

953 – 96105 – 8 – 3

Documents

SVEUČILIŠTE U SPLITU POMORSKI FAKULTET U SPLITU …brod.pfst.hr/~ivujovic/stare_stranice/pdf_zip_word/niksa.pdfMjerenje impedancije u serijskom RLC ... NI ELVIS može se koristiti