лабораторные работы на NI ELVIS

ИПУ FGEN имеет обычный набор элементов управления: ручку Frequency для грубого изменения частоты, переключатель Hertz для точного изменения частоты, переключатель диапазонов, переключатель типа сигнала (синусоидальный, прямоугольный и треугольный) и ручку управления амплитудой сигнала. Все эти элементы управления также дублируются на лицевой панели рабочей станции. Для того чтобы включить управление с лицевой панели, необходимо перевести переключатель function generator в положение Manual (Ручное управление). Как и в случае с перестраиваемым источником питания, при включении ручного режима загорится зеленый светодиод на ИПУ FGEN и все виртуальные элементы управления станут неактивны.

Примечание. Добавить постоянную составляющую (смещение) к переменному сигналу можно только с помощью ИПУ FGEN.

Для анализа сигналов RC-цепи мы будем использовать осциллограф.

Выберите функцию Oscilloscope (Осциллограф) из меню запуска инструментов

NI ELVIS.

ИПУ Oscilloscope похожа на панель управления обычным осциллографом, однако на ней есть возможность автоматически подавать сигналы из различных источников. Зайдите в выпадающее меню CHANNEL A Source и посмотрите список доступных источников для канала А.

BNC/Board CH A, ACH0, ACH1, ACH2, ACH5,

FGEN FUNC_OUT, FGEN SYNC_OUT и DMM Voltage

Выберите опции для элементов управления Source Channel A (Канал А), Source Channel B (Канал Б), TRIGGER (Триггер), TIMEBASE (Временная развертка) в соответствии с показанными на рисунке выше. При таких настройках в канале А будет отображаться сигнал функционального генератора, а в канале Б – ТТЛ сигнал синхронизации (SYNC_OUT) этого генератора, оба сигнала будут синхронизованы с сигналом SYNC_OUT. Убедитесь, что вы нажали кнопку Run на обеих ИПУ – FGEN и OSC. Покрутите ручки управления функционального генератора (виртуальные или реальные) и наблюдайте за изменениями в окне осциллографа.

Осциллограф способен измерять различные параметры сигнала, такие как частота, пиковая амплитуда и т.д. Эта возможность активируется нажатием на

кнопку MEAS для каждого из каналов. Результаты измерений можно увидеть в нижней части экрана осциллографа.

Для проведения амплитудных и временных измерений можно активировать пару курсоров канала А или Б.

Теперь присоедините BNC-коннектор SCOPE CH B к резистору номиналом 1 кОм.

Примечание. Для этой цели можно использовать входные контакты канала Б на макетной плате, имеющие обозначения Oscilloscope CH B+ и CH B–.

Теперь вы увидите исходный сигнал в канале А и выходной сигнал RCцепи в канале Б. Триггером по-прежнему является синхросигнал SYNC_OUT функционального генератора, который генерирует синусоидальную осциллограмму. Отношение амплитуды сигнала в канале Б к амплитуде в канале А определяет коэффициент усиления схемы на определенной частоте. Поскольку никакого усилителя в схеме нет, коэффициент усиления будет меньше единицы. Просмотрев различные частоты, вы получите представление об амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) простейшего пассивного фильтра – RC-цепи.

Задание:

Найдите частоту, при которой коэффициент усиления равен . На экране

√

осциллографа измерьте фазовый сдвиг между сигналами в каналах А и Б на этой частоте.

Как взаимосвязаны проведенное измерение фазы с измерением угла наклона вектора в упражнении 2?

Закройте функциональный генератор и осциллограф.

Упражнение 4. АЧХ/ФЧХ RC-цепи

График Боде представляет собой очень удобный графический формат частотных характеристик цепей переменного тока. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) или амплитудный отклик – это зависимость коэффициента усиления схемы, выраженного в децибелах, от десятичного логарифма частоты. Фазово-частотная характеристика (ФЧХ) или фазовый отклик – это зависимость разности фаз между входным и выходным сигналами от десятичного логарифма частоты.

Примечание: Когда требуется сравнить какие-нибудь величины, это можно сделать поразному. Можно, например, разделив эти величины одну на другую, сказать: P1 больше, чем P2 в 3 раза, или P1 меньше, чем P2 в 28 раз. Если нам понадобится далее вести какие-то расчеты, мы будем пользоваться отвлеченным числом 3, или 28, или 1/28 (иногда для уточнения добавляя слово "раз").

Вряде случаев бывает удобнее логарифмировать отношение величин и оперировать далее

счислом logа(P1/P2). Известно, что применение логарифмов упрощает математические расчеты, в частности, позволяет вместо умножения и деления пользоваться сложением и вычитанием. При большом диапазоне изменений какой-либо величины логарифмический масштаб позволяет лучше разглядеть на одном и том же графике и малые, и большие ее относительные изменения.

Чтобы различать, имеем ли мы дело с числом "раз" или с его логарифмом, а также чтобы указать, каким основанием мы пользуемся при логарифмировании (числом 10, числом е = 2,71828 или иным), следует присвоить этой величине какое-нибудь название. В системе СИ в качестве относительной логарифмической единицы отношения мощностей P1 и P2 принят десятичный логарифм lg (P1/P2). Эта единица называется бел (Б).

На практике бел оказался крупноват, поэтому используют единицы в десять раз меньшие - дециБелы. Соотношение двух уровней мощности P1 и P2 в децибелах (дБ, или dB) выражают по следующей формуле:

Nр (дБ) = 10 lg (P1/P2) {1}

Множитель 10 в формуле {1} появился потому, что десять децибелов как раз и есть один бел.

Теперь разберемся с отношениями напряжений или токов. Вспомним из школьного курса, что в линейной цепи Р = U2/R, или Р = I2R. Отсюда легко видеть, что (P1/P2) = (U12/U22), а значит и

lg (P1/P2) = lg (U12/U22), или lg (P1/P2) = lg (U1/U2)2 {2}.

Из школьного же курса вспомним, что

lg x2 = 2 lg x {3}.

Из равенств {2} и {3} вытекает следующее: lg (P1/P2) = 2 lg (U1/U2). А это и есть формула взаимосвязи между "Белами по мощности" и "Белами по напряжению" в одной и той же цепи, если в ней выполняется закон Ома. Ну, а если мы намерены пользоваться десятыми долями бела, то обе половины этого уравнения должны умножить на 10. Точно так же обстоит дело и с отношениями величин тока. Из сказанного следует, что при сравнении величин напряжений (U1 и U2) или токов (I1 и I2), их соотношения в децибелах:

Выберите функцию Bode Analyzer (Анализатор Боде) из меню запуска инструментов NI ELVIS.

Анализатор Боде позволяет выполнить перестройку в целом диапазоне частот от начальной до конечной с шагом ΔF. Вы также можете выбрать амплитуду тестирующего синусоидального сигнала. В анализаторе Боде используется ИПУ function generator для создания тестирующей осциллограммы. Выходные разъемы FGEN необходимо присоединить к входам исследуемой схемы, а также к контактам ACH1. Выход схемы подается на контакты ACH0. Дополнительные детали можно прочитать, нажав на кнопку [HELP] в правом нижнем углу окна Bode Analyzer.

Заново соберите RC-цепь на макетной плате NI ELVIS, аналогично следующему рисунку, и выполните подключения как описано выше.

Проверьте соединения схемы, чтобы они совпадали с изображенными выше, и нажмите кнопку запуска Run.

Используйте опции из меню Display, чтобы выбрать формат отображения и курсоры для считывания значений частотных характеристик.

Задание: получите АЧХ и ФЧХ вашей RC-цепи.

Примечание. Частота, при которой амплитуда сигнала спадает до – 3 дБ, равна частоте, при которой сдвиг фаз равен 45 градусам.

Обе ИПУ – Oscilloscope и Bode Analyzer – содержат кнопку Log. При нажатии на эту кнопку данные, изображенные на графиках, будут записываться в текстовый файл на жесткий диск. Эти данные можно использовать для дальнейшего исследования с помощью Excel, LabVIEW, DIAdem или других программ анализа и построения данных.

Варианты заданий:

Лабораторная работа №5

Цель работы: измерение параметров полосовых фильтров, а также фильтров верхних и нижних частот, используя набор инструментов NI ELVIS.

Теоретическая часть

Фильтры на основе операционных усилителей.

Операционный усилитель (ОУ) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

Обозначения

Обозначение операционного усилителя на схемах

На рисунке показано схематичное изображение операционного усилителя. Выводы имеют следующее значение:

V+: неинвертирующий вход

V−: инвертирующий вход

Vout: выход

VS+: плюс источника питания (также может обозначаться как VDD, VCC, или VCC + )

VS−: минус источника питания (также может обозначаться как VSS, VEE, или VCC − )

Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ, они необходимы для его функционирования. Однако, существуют операционные усилители, не имеющие неинвертиующего входа. В частности, такие ОУ находят применение в аналоговых вычислительных машинах (АВМ). ОУ, применяемые в АВМ, принято делить на 5 классов, из которых ОУ первого и второго класса имеют только один вход.

Операционные усилители первого класса — усилители высокой точности (УВТ) с одним входом. Они предназначены для работы в составе интеграторов, сумматоров, устройств слежения-хранения, электронных коэффициентов. Высокий коэффициент усиления, предельно малые значения смещения нуля, входного тока и дрейфа нуля, высокое быстродействие обеспечивают снижение погрешности, вносимой усилителем, ниже 0,01 %.

Операционные усилители второго класса — усилители средней точности (УСТ) также с одним входом, обладающие меньшим коэффициентом усиления

и большими значениями смещения и дрейфа нуля. Эти ОУ предназначены для применения в составе электронных устройств установки коэффициентов, инверторов, электронных переключателей, в функциональных преобразователях, множительных устройствах. Помимо этого, некоторые ОУ могут иметь дополнительные выводы (предназначенные, например, для установки тока покоя, частотной коррекции, балансировки или других функций).

Выводы питания (VS+ и VS−) могут быть обозначены по-разному (см.

выводы питания интегральных схем). Часто выводы питания не рисуют на схеме, чтобы не загромождать её несущественными деталями, при этом способ подключения этих выводов явно не указывается или считается очевидным (особенно часто это происходит при изображении одного усилителя из микросхемы с четырьмя усилителями с общими выводами питания). При обозначении ОУ на схемах можно менять местами инвертирующий и неинвертирующий входы, если это удобно; выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху).

Питание

В общем случае ОУ использует двуполярное питание, то есть источник питания имеет три вывода с потенциалами:

U+ (к нему подключается VS+)

0

U- (к нему подключается VS-)

Вывод источника питания с нулевым потенциалом непосредственно к ОУ обычно не подключается, но, как правило, является сигнальной землёй и используется для создания обратной связи. Часто вместо двуполярного используется более простое однополярное, а общая точка создаётся искусственно или совмещается с отрицательной шиной питания.

ОУ способны работать в широком диапазоне напряжений источников питания, типичное значение для ОУ общего применения от ±1,5 В до ±15 В при двуполярном питании (то есть U+ = 1,5…15 В, U- = -15…-1,5 В, допускается значительный перекос).

Классификация ОУ

По типу элементной базы

На полевых транзисторах

На биполярных транзисторах

На электронных лампах (устарели)

По области применения

Выпускаемые промышленностью операционные усилители постоянно совершенствуются, параметры ОУ приближаются к идеальным. Однако улучшить все параметры одновременно технически невозможно или нецелесообразно из-за дороговизны полученного чипа. Для того, чтобы расширить область применения ОУ, выпускаются различные их типы, в каждом из которых один или несколько параметров являются выдающимися, а остальные на обычном уровне (или даже чуть хуже). Это оправдано, так как в зависимости от сферы применения от ОУ требуется высокое значение того или иного параметра, но не всех сразу. Отсюда вытекает классификация ОУ по областям применения.

Индустриальный стандарт. Так называют широко применяемые, очень дешевые ОУ общего применения со средними характеристиками. Пример "классических" ОУ: с биполярным входом - LM324, с полевым входом - TL084.

Прецизионные ОУ имеют очень малые напряжения смещения, применяются в точных измерительных схемах. Обычно ОУ на биполярных транзисторах по этому показателю несколько лучше, чем на полевых. Также от прецизионных ОУ требуется долговременная стабильность параметров. Исключительно малыми смещениями обладают стабилизированные прерыванием ОУ. Примеры: AD707, AD708, с напряжением смещения 30 мкВ, а также новейшие AD8551 с типичным напряжением смещения 1 мкВ.

С малым входным током (электрометрические) ОУ. Все ОУ, имеющие полевые транзисторы на входе, обладают малым входным током. Но среди них существуют специальные ОУ с исключительно малым входным током. Чтобы полностью реализовать их преимущества, при проектировании устройств с их использованием необходимо даже

учитывать утечку тока по печатной плате. Пример: AD549 с входным током 6×10−14 А.

Микромощные и программируемые ОУ потребляют малый ток на собственное питание. Такие ОУ не могут быть быстродействующими, так как малый потребляемый ток и высокое быстродействие — взаимоисключающие требования. Программируемыми называются ОУ, для которых все внутренние токи покоя можно задать с помощью внешнего тока, подаваемого на специальный вывод ОУ.

Мощные (сильноточные) ОУ могут отдавать большой ток в нагрузку, то есть допустимое сопротивление нагрузки меньше стандартных 2 кОм, и может составлять до 50 Ом.

Низковольтные ОУ работоспособны при напряжении питания 3 В и даже ниже. Как правило, они имеют rail-to-rail выход.