ELEKTROTEKNIK. Laboration E701. Apparater för laborationer i elektronik

Transkript

1 UMEÅ UNIVERSITET Tillämpad fysik och elektronik Håkan Joëlson v 1.2 ELEKTROTEKNIK Laboration E701 Apparater för laborationer i elektronik Innehåll Mål... Teori... Uppgift 1...Spänningsaggregat som källa Uppgift 2... Signalgenerator som källa. Analogt oscilloskop Uppgift 3...Digitalt oscilloskop Uppgift 4...Två kanaler Personuppgifter: Namn: Kurs: Inlämningsdatum: Återlämnad (ej godkänd): Datum Kommentarer Godkänd: Datum Signatur Kommentarer LAB_E701.DOC

2 Mål Målet med denna laboration är att få en förståelse för de vanligaste apparaterna i laborationssalarna för elektronik skaffa en färdighet att kunna använda dessa till grundläggande mätningar Teori I laborationssalarna för elektronik finns det tre huvudkategorier av apparater: Kopplingapparater, tex kopplingsplatta (eng. breadboard) och kopplingsdäck. Spänningskällor som producerar elektriska spänningar/strömmar/signaler, tex. spänningsaggregat (kallas ibland spänningskub) och funktionsgenerator (kallas ofta signalgenerator). Mätinstrument som mäter elektriska storheter (spänning, ström, frekvens, resistans o.s.v.), tex multimeter och oscilloskop. Kopplingsplattor kan se ut lite olika. Man sticker ner komponentben i hålen för att förbinda dem med varandra på olika sätt. Det gäller att veta säkert vilka hål som är elektriskt förbundna med varandra. Typisk kopplingsplatta Sektion som visar mönstret för förbindningsskenor under hålen. Kopplingsdäck är i regel utrustade med bl.a. en kopplingsplatta matningsspänningar, tex. +5V, +12V, -12V och jord lysdioder avsedda att indikera digitala utsignaler tvålägesbrytare avsedda att använda som digitala insignaler Nedan syns en enkel uppkoppling av ett spänningsaggregat som är inställt på 10VDC, och en voltmeter som mäter denna spänning. Första bilden visar ett elektriskt schema över kopplingen, och den andra bilden liknar hur det ser ut i verkligheten. 10V Sp.agg U V-meter Spänningsaggregat Multimeter o o o o o Laboration E701 Teori 2

3 Numera är det mycket vanligt att använda en s.k. multimeter, som med vred o/el knappar kan ställas in att mäta spänning eller resistans eller ström, och ibland en del annat också. Dessa förkortasa ofta DMM från engelskans Digital MultiMeter. Multimetrar brukar ha 2-3 anslutningskontakter. Till den som ofta är märkt COM (för common, gemensam) anluts normalt en svart mätprob. Till den som är märkt VΩmA eller liknande anluts normalt en röd mätprob. I elektronikens värld symboliserar rött ofta pluspolen (+) och svart minuspolen (-), eller jord (som representerar systemets nollpotential och ofta tas som referenspunkt vid mätningar). DMM brukar vara byggda så att COM-ingången antas ha elektriskt högre potential än VΩmAingången. DMM kommer inte gå sönder om man vänder proberna i fel riktning, men DMM kommer visa ett minusvärde om den uppfattar att den punkt som COM är ansluten till har en elektriskt högre potential än den punkt som VΩmA är ansluten till. För att kunna analysera en spänning lite närmare, så använder man ofta ett oscilloskop, och för att kunna producera växelspänningar med möjlighet att justera alla dess parametrar använder man en funktionsgenerator. Ett typiskt oscilloskop med två mätkanaler för att kunna titta på två signaler samtidigt. Ett oscilloskop fungerar så här: På bildskärmen sveper en ljuspunkt från vänster till höger med justerbar hastighet. När punkten har kommit längst till höger börjar den om igen. Insignalen styr med vilken höjd pricken ska ritas ut, ju högre spänning desto högre upp på skärmen. Normalt sveper pricken så snabbt över skärmen att det ser ut som ett streck. Viktiga kontroller: (13,15,17,9,11 är för kanal 2 och har motsvarande funktion som för kanal 1) Input (8): Hit kopplar man den signal som man vill mäta. Volts/div. (12,14): Med denna justerar man känsligheten för insignalen. Om ratten står i läge 1v, betyder detta att varje ruta i höjdled motsvarar 1v (se även avsnittet om mätprob till oscilloskop). Time/div (22): Denna ratt justerar hur snabbt oscilloskopet sveper från höger till vänster. Om ratten står i läge 1mS, betyder det att varje ruta i längdled motsvarar 1mS. Ur detta kan man se frekvensen hos signalen (1/T). För att man ska kunna titta på signalen, måste den låsas till ett visst läge så att den står still. Detta sköts med trig.kontrollerna: 25,27,28,29. Normal inställning är: Source: intern. Mode: auto. Level kan behöva justeras så att den står still. Till sist har vi mode (18,26) där 26 väljer kanal som vi ska trigga på. Om vi bara har en insignal måste vi trigga på den kanalen. 18 bestämmer vilken/vilka kanaler som ska ritas ut på skärmen. Om bägge kanalerna ska vara igång kan vi välja antingen alt. eller chop. Alt. ritar ut en kanal åt gången, vilket kan vara lite störande på låga svephastigheter, och chop ritar ut kanalerna samtidigt men upphackat, vilket kan vara störande på höga svephastigheter. Laboration E701 Teori 3

4 Mätprob för oscilloskop. Med denna kan man göra noggranna mätningar även på höga frekvenser. Om proben står i X1 läge fungerar den som vilken mätsladd som helst, men om man skiftar om den till läge X10, så kan man kompensera kabelkapacitanserna, vilket gör att bandbredden ökar avsevärt. I detta läge dämpas signalen 10 ggr, vilket gör att man måste kompensera för detta när man läser av oscilloskopet. På proben finns en justerratt där man kan trimma in kompenseringen. Det går till på följande vis: Man kopplar proben till ett stift på oscilloskopet som oftast kallas cal. (nummer 31 på oscilloskopet ovan). Sedan skruvar man på ratten på proben med en trimmejsel tills signalen på oscilloskopet ser ut som en perfekt fyrkantsvåg. VOFF = 0 VAMPL = 10 FREQ = 1000 Generator inställd på sinusvåg, med 10V amplitud och frekvensen 1000Hz En typisk funktiongenerator. Viktiga kontroller: Frekvens justeras med ratten 7 tillsammans med multiplikatorerna 14. Amplituden justeras med ratt 13 tillsammans med dämpsatsen 17, 18. Kurvformen ställs med knapparna 19. Frekvensen avläses i fönstret 2. Dessutom finns en del extrafunktioner som kan vara användbara. Utsignalen tas normalt från kontakten Output 23. Arbetar man med digitala kretsar tas signalen i regel från TTL Output 20. Laboration E701 Teori 4

5 Undersök under laborationens gång vad som händer om du ansluter eller låter bli att ansluta mätprobens jordningsklämma. Hittar du situationer där det har betydelse? Hittar du situationer där det inte har betydelse? Vad är det för skillnad på dessa situationer? (Ev upptäcker du inte dessa situationer nu. Lägg frågorna på minnet och besvara dem senare när sådana situationer uppstår under laborationer längre fram i kursen.) Reflektera över vad jordning innebär och vad referenspunkt/nivå betyder. Uppgift 1 Spänningsaggregat som källa 1.1 Slå på spänningsaggregatet. Ställ in spänningen på 10V. Mät spänningen med DMM. Använd det mätområde som ger högsta noggrannheten. Ska den stå i läge DC eller AC? Pröva båda lägena. Undersök vad DMM visar om man låter proberna byta plats. Om spänningsaggregatet och DMM visar olika, vilken lär visa mest rätt? Varför anser du det? 1.2 Koppla även in det analoga oscilloskopet och undersök hur spänningsaggregatets signal uppträder på skärmen. Variera spänningsnivån från spänningsaggregatet. Vilken hänger med bäst: DMM eller oscilloskopet? 1.3 Koppla in ett stort motstånd (med stort menas stort i elektriskt avseende, dvs 10MΩ eller mer) i serie med spänningsaggregatet (dvs mellan spänningsaggregat och mätinstrument). Mät igen. Blir det skillnad mot fallet ovan? Vad kan det isåfall bero på? (Om du inte kan komma på ett svar nu, lägg på minnet att komma tillbaka till denna fråga efter att du har genomfört Laboration E705.) Uppgift 2 Signalgenerator som källa Analogt oscilloskop 2.1 Anslut signalgeneratorns utgång till en av ingångarna på det analoga oscilloskopet. Ställ in signalgeneratorn på 1 khz, sinusformad signal och amplituden någonstans mitt på skalan. Justera det analoga oscilloskop så att du tydligt ser signalformen. Tryck på knappar och vrid på rattar! Ingenting kan gå sönder! Undersök hur du på generatorn ställer in signalens amplitud signalens frekvens signalens DC-nivå signalens kurvform Lär dig sedan hur du på bästa sätt använder oscilloskopet för att mäta signalens amplitud signalens frekvens signalens likspänningsnivå Lär dig hur man väljer skala på oscilloskopet och hur man gör för att hitta 0-nivån (gnd). Lär dig också vad som menas med triggnivå (level). 2.2 Ställ in en frekvens på mellan 1kHz-10kHz. Justera oscilloskopet så att kurvformen ser snygg ut. Testa att ändra mellan de olika kurvformerna. Laboration E701 Uppgift 1 Spänningsaggregat som källa 5

6 Hur ser de ut? Rita en snabb skiss över de tre kurvformerna nedan. Sinus Fyrkant Triangel 2.3 Ställ in en sinusvåg på Hz på funktionsgeneratorn. Ställ in oscilloskopet så att kurvan är snygg. Rita av bilden noggrant nedan. Notera inställningarna på oscilloskopet (Time/div, Volts/div). Räkna ut frekvensen enl. den information som kan utläsas på oscilloskopet. Stämmer det med vad signalgeneratorn anger? Försök förklara. 2.4 Räkna ut spänningen enligt oscilloskopet. Koppla in en DMM och mät spänningen på utgången av funktionsgeneratorn utan att ändra några inställningar. Ska DMM vara inställd på DC- eller AC-mätning? Stämmer detta med oscilloskopet? Försök förklara. Laboration E701 Uppgift 2 Signalgenerator som källa 6

7 Uppgift 3 Digitalt oscilloskop Med det digitala oscilloskopet kan du göra allt som du kan göra med det analoga. Med ett digitalt oscilloskop kan du också få siffervärden på amplitud, effektivvärde, DC-nivå, frekvens etc. Upprepa uppgift 2.1, men undersök också hur du läser numeriska värden på oscilloskopet. Uppgift 4 Två kanaler 4.1 Koppla en kondensator (c:a 100nF - 1µF) och en resistor (c:a 1kΩ) till signalgeneratorn enl schemaritningen. Mät källans signal med oscilloskopets ena kanal (dvs mellan punkt 0 och punkt A), och mät spänningen över kondensatorn med den andra kanalen (dvs mellan punkt 0 och punkt B). Ställ in oscilloskopet så att båda kanalerna visas samtidigt. (Två sådana visningslägen finns. Undersök och försök komma underfund om skillnaden mellan dem.) Bilden på oscilloskopskärmen ser då ut ungefär så här: Vad kan utläsas av oscilloskopets information? Säger detta nånting om kondensatorns egenskaper? (Återvänd gärna till denna fråga efter att ha genomfört Laboration E703.) Variera frekvensen på signalgeneratorn och se hur signalerna uppför sig på oscilloskopskärmen. Laboration E701 Uppgift 3 Digitalt oscilloskop 7

8 4.2 Byt till fyrkantssignal på signalgeneratorn. Notera hur spänningen över kondensatorn ser ut. Säger det nånting om kondensatorns egenskaper? Laboration E701 Uppgift 4 Två kanaler 8