Tekniska högskolan vid Linköpings universitet

Transkript

1 TSTE05 Elektronik och mätteknik Page 1 of studiehandbok@lith Tekniska högskolan vid Linköpings universitet Sök År : 2012 TSTE05 Elektronik och mätteknik, 5,5 p / 8 hp /Electronics and Measurement Technology/ För: FyN Mat MED Y Yi Prel. schemalagd tid: 72 Rek. självstudietid: 141 Utbildningsområde: Teknik Ämnesgrupp: Elektroteknik Nivå (A-D):B Huvudområde: Elektroteknik, Fysik, Teknisk fysik Nivå (G1,G2,A): G1 Mål: IUAE-matrisKursen syftar till: att ge en teoretisk grund för analys och syntes av såväl passiva som aktiva analoga kretsar. att ge förståelse för funktionen av samt färdigheter i att analysera sådana kretsar. att ge viss färdighet i elektronikkonstruktion. att ge grundläggande kunskaper och färdigheter i elektrisk mätteknik. Efter genomgången kurs skall studenterna kunna: beräkna ström, spänning och effekt i allmänna likströms- och växelströmskretsar med användning av strukturerade metoder. beräkna arbetspunkten för en transistor i ett förstärkarsteg. beräkna småsignalmässig inresistans, utresistans samt spänningsförstärkning för en given förstärkare. dimensionera enkla förstärkarsteg. beräkna spänningsförstärkning för kretsar innehållande operationsförstärkare. använda simuleringsprogram för analys av analoga kretsar. parametersätta aktiva filter så att önskade gränsfrekvenser erhålls. verifiera, såväl simuleringsmässigt som hårdvaumässigt, att ett filter uppfyller ställda krav. genomföra en enkel konstruktionsuppgift från specifikation till hårdvarumässig konstruktion. använda olika typer av instrument för mätning av elektriska storheter. beskriva olika typer av fallgropar vid mätning samt ange hur dessa undviks beskriva olika typer av mätningsstörningar, deras orsaker samt metoder för att minska dem Förkunskaper: (gäller studerande antagna till program som kursen ges inom, se 'För:' ovan) Basala matematiska färdigheter som tiopotensräkning, räkning med komplexa tal, ekvationslösning etc. Att kunna ställa upp en ekvation. Att kunna genomföra och motivera en lösning till ett givet problem på ett strukturerat sätt. Elementär studieteknik. (Att kunna ta till sig skriftlig och muntlig information. Att kunna söka fakta i kurslitteraturen. Att förbereda och efterarbeta en föreläsning/lektion/laboration. Att kontrollera sina beräkningar. Att använda webbens hemsidor för att söka information.) OBS! Tillträdeskrav för icke programstudenter omfattar vanligen också tillträdeskrav för programmet och ev. tröskelkrav för progession inom programmet, eller motsvarande.

2 TSTE05 Elektronik och mätteknik Page 2 of Påbyggnadskurser Analog konstruktion, ElektronikprojektY, Signaler och system, Analoga och tidsdiskreta integrerade kretsar Organisation: Kursen består av föreläsningar, lektioner samt laborationer. Kursinnehåll: Grundläggande lagar och samband. Tvåpolssatsen. Nortons teorem. Nodanalys. Växelströmsteori. jw- metoden. Transformatorkopplingar. Effekt. Anpassning. Grundläggande filterteori. Diodkretsar. Förstärkarteknik. Arbetspunktsberäkningar. Dimensionering av förstärkarsteg. Småsignalanalys. OP-förstärkare. Logaritmiska förstärkningsmått. Mätteknik: Funktionsprinciper, karakteristika för och hantering av basinstrument (spänningskällor, multimeter, analogt och digitalt oscilloskop) för mätning av grundläggande elektriska storheter. Fallgropar vid mätningar, orsaker till och åtgärder för att minska elektriska störningar. Kurslitteratur: Söderkvist Sune: Kretsteori & Elektronik, Söderkvist Sune: Kretsteori & Elektronik, övningsbok Lab-PM som distribueras via kurswebbsida. UPGA LABA LABB Examination: Inlämningsuppgifter under kursens gång. (U,3,4,5) Laborationskurs ISY (U,G) Laborationskurs IFM (U,G) 5 hp 1,5 hp 1,5 hp Undervisningsspråk är Svenska. Institution: ISY. Studierektor: Tomas Svensson Examinator: Mikael Olofsson Kurshemsida: Ansvarig programnämnd: Elektro&Fysik Engelsk kursplan Kursen bedrivs på ett sådant sätt att både mäns och kvinnors erfarenhet och kunskaper synliggörs och utvecklas. Planering och genomförande av kurs skall utgå från kursplanens formuleringar. Den kursvärdering som ingår i kursen skall därför genomföras med kursplanen som utgångspunkt. Om inget annat anges ovan gäller betygsskala enligt avsnitt a8.5 i de gemensamma bestämmelserna. Kursplanen gäller för 2012 enligt beslut av ansvarig programnämnd/fakultetstyrelse. Tekniska högskolan vid Linköpings universitet Informationsansvarig: TFK, val@tfk.liu.se Senast ändrad: 01/04/2012

3 TSTE05 Elektronik och mätteknik Målbeskrivning Kursen syftar till: att ge en teoretisk grund för analys och syntes av såväl passiva som aktiva analoga kretsar att ge förståelse för funktionen av samt färdigheter i att analysera sådana kretsar att ge viss färdighet i elektronikkonstruktion att ge grundläggande kunskaper och färdigheter i elektrisk mätteknik Efter genomgången kurs skall studenterna kunna: beräkna ström, spänning och effekt i allmänna likströms- och växelströmskretsar med användning av strukturerade metoder beräkna arbetspunkten för en transistor i ett förstärkarsteg beräkna småsignalmässig inresistans, utresistans samt spänningsförstärkning för en given förstärkare dimensionera enkla förstärkarsteg beräkna spänningsförstärkning för kretsar innehållande operationsförstärkare använda simuleringsprogrammet PSpice för analys av analoga kretsar parametersätta aktiva filter så att önskade gränsfrekvenser erhålls verifiera, såväl simuleringsmässigt som hårdvaumässigt, att filtret uppfyller ställda krav genomföra en enkel konstruktionsuppgift från specifikation till hårdvarumässig konstruktion använda olika typer av instrument för mätning av elektriska storheter beskriva olika typer av fallgropar vid mätning samt ange hur dessa undviks beskriva olika typer av mätningsstörningar, deras orsaker samt metoder för att minska dem Detaljerad målbeskrivning LIKSTRÖMSTEORI: * Att kunna definiera och förstå begreppen ström, spänning, potential och effekt. (1-9) * Att behärska begreppen graf, nod, gren, maska.

4 * Att förstå skillnaden mellan ström- och spänningskällor samt att veta vilka egenskaper såväl ideala som icke-ideala källor har. (1-1, 1-5, 1-15, 1-16) * Att förstå skillnaden mellan nätelement och komponenter. (1-14, 1-15, 1-16) * Att kunna ställa upp samband mellan strömmar och spänningar i en elektrisk likströmskrets med hjälp av Kirchhoffs strömlag, Kirchhoffs spänningslag och Ohms lag. (1-1, 1-5, 1-10, 1-11, 1-12, 1-13, 1-15, B-1) * Att kunna beräkna ekvivalent resistans vid seriekoppling respektive parallellkoppling mellan ett godtyckligt antal resistanser. (1-2, 1-3) * Att kunna tillämpa spänningsdelningsformeln på ett godtyckligt antal seriekopplade resistanser. (1-5 a, 1-6, 1-7) * Att kunna tillämpa strömdelningsformeln på ett godtyckligt antal parallell-kopplade resistanser. (1-5 d, 1-8, 1-11 b) * Att kunna eliminera ström och spänningskällor som är ensamma i sin gren, samt att kunna eliminera nätelement som är överflödiga i sin gren. (1-26, 1-27, 1-28, 1-29, 1-31 a) * Att kunna ställa upp de ekvationer som behövs för att beräkna ström eller spänning i ett plant likströmsnät genom nodanalys. Den "långa vägen" utgående från Kirchhoffs lagar måste behärskas. Den "korta vägen" med formell metodik måste inte behärskas men kan med fördel användas. (1-22, 1-23, 1-24, 1-25, 1-26, 1-27,1-28, 1-29, 1-30, B-2) * Att kunna använda nodanalys för beräkningar på ett tredimensionellt likströmsnät. (B-3) * Att kunna bestämma inre resistansen hos en given enport, dels utgående från definitionen på inre resistans, dels som kvoten mellan tomgångsspänning och kortslutningsström. (1-16, 1-43, 1-44, 1-45, B-4) * Att kunna bestämma såväl en Thévenin- som en Nortonekvivalent till en enport. (1-43, 1-45, 1-46) * Att kunna formulera och använda följande satser för kretsberäkning: Tvåpolssatsen, Nortons teorem, superpositionssatsen. (1-32, 1-33, 1-44, 1-47) * Att kunna göra effektberäkningar i likströmsnät. (1-14, 1-17,1-18, 1-19) * Att förstå innebörden av begreppet effektanpassning, samt kunna härleda villkoret för effektanpassning. (1-20) VÄXELSTRÖMSTEORI: * Att vara väl förtrogen med egenskaper och funktion hos kondensator och spole (induktor) samt motsvarande nätelement kapacitans respektive induktans. (2-1, 2-2, 2-11, 2-12, 2-13, 3-5, 3-6, 3-8, 3-9, B-12) * Att kunna ställa upp och lösa de differentialekvationer som gäller vid upp- och urladdning av kapacitans och induktans. (B-15)

5 * Att förstå vad som händer när snabbt- respektive långsamt varierande ström/spänning ansluts till kapacitans/induktans i serie med en resistans. * Att behärska, samt förstå skillnaden mellan, olika modeller för stationär sinusformad växelström (vågdiagram, sinusfunktion, visardiagram, komplext uttryck). (2-2, 2-4) * Att kunna beräkna strömmar och spänningar i ett växelströmsnät med användning av jωmetoden. (2-14, 2-15, 2-16, 2-17, 2-18, 2-19, 2-20, B-13) * Att kunna definiera begreppen samt bestämma impedans, resistans, konduktans, admittans, reaktans och susceptans för en växelströmsenport. (2-21, 2-22, 2-23, B-14) * Att förstå innebörden av serieresonans respektive parallellresonans. (2-23, 2-24, 2-25, 2-26, 2-27, 2-28) * Att förstå begreppen samt kunna beräkna momentan, komplex, aktiv, reaktiv och skenbar effekt för en impedans. (2-33, 2-34, 2-35, 2-36, 2-37, 2-40, 2-41, 2-43, B-16, B-17,B-18) * Att förstå vad faskompensering innebär samt kunna beräkna värdet av en kapacitans/induktans så att faskompensering erhålls. (2-38, 2-39, 2-42) * Att kunna använda jω-metoden för att beräkna strömmar och spänningar i nät som innehåller transformatorkopplingar; även ideala transformatorer. (2-46, 2-47, 2-48, 2-49,2-50, 2-51, B-20) * Att behärska impedanstransformering för beräkning på kretsar som innehåller ideal transformator. (2-52, 2-53, 2-56, B-19) * Att förstå vad anpassning innebär samt behärska de villkor för anpassning som gäller vid olika typer av variabla belastningar. (2-53, 2-54, 2-55, 2-56, 2-57, 2-58) * Att kunna definiera begreppen LP-, HP-, BP, BS-filter; även ideala, samt vad som menas med gränsfrekvens och bandbredd. * Att kunna avgöra vilken typ av filter en given krets utgör. (2-30, 2-31, 2-32, B-21) * Att förstå innebörden av begreppen amplitud- och faskaraktäristik. * Att kunna beräkna och skissera amplitudkaraktäristik och faskaraktäristik samt bestämma gränsfrekvens(er) för ett elektriskt filter. (2-30, 2-31, 2-32, B-21) FÖRSTÄRKARTEKNIK: * Att känna till konstruktion och funktion av diod, zenerdiod, fotodiod, tunneldiod, lysdiod, bipolartransistorer (PNP och NPN), FET-transistorer (N-kanal, P-kanal), MOS-transistorer (N-kanal och P-kanal). (3-11, 3-13, 3-14, 3-19, 3-20, 3-21) * Att kunna bestämma belastningslinje samt arbetspunkt för såväl diod som zenerdiod ingående i en likströmskrets. (3-12, 3-15, 3-17) * Att kunna dimensionera resistansvärden så att en diod eller en zenerdiod får önskad arbetspunkt. (3-16) * Att kunna dimensionera resistansvärden så att en diod eller en zenerdiod ej överskrider specificerad maximal effektutveckling. (3-18)

6 * Att förstå transistorns roll i ett förstärkarsteg. * Att förstå innebörden av begreppet arbetspunkt, samt kunna beräkna arbetspunkten för ett förstärkarsteg med bipolar eller FET-transistorer. (3-24, 4-1, 4-4, 4-5, 4-6, 4-10, 4-11, 4-12) * Att kunna bestämma såväl likströmsmässig som signalmässig arbetslinje för såväl en bipolartransistor som en FET-transistor i ett förstärkarsteg. (3-22, 4-8, 4-9, 4-12, B-26) * Att kunna bestämma resistansvärden så att en transistor i ett förstärkarsteg får önskad arbetspunkt. (Dimensionering av förstärkarsteg.) (3-23, 4-2, 4-3, 4-7, 4-8, 4-9, 4-11) * Att förstå funktionen av GE-steg respektive emitterföljare. * Att förstå innebörden av linjära transistormodeller. (h-parameterschema för bipolartransistor, g-parameterschema för FET-transistor.) (3-27) * Att kunna bestämma en bipolartransistors h-parametrar ur kurvblad. (3-25, 3-26, 4-25) * Att på grafisk väg kunna bestämma spänningsförstärkningen för ett GE-steg när transistorns datablad är givet. (4-16) * Att kunnna använda linjära transistormodeller för småsignalberäkningar på GE-steg och emitterföljare; såväl med bipolar som FET-transistorer: - Beräkning av inimpedans, utimpedans och spänningsförstärkning för enkla belastade GEsteg och emitterföljare. - För GE-steg med bipolartransistor eventuellt med hänsyn taget till samtliga h-parametrar för emitterföljare endast med hänsyn taget till inimpedans (h11) och strömförstärkningsfaktor (h21). Parametrarna gm och g0 används vid FET-transistorer. (4-13, 4-14, 4-15, 4-18, 4-19, 4-20, 4-22, 4-23, 4-24) * Att kunna beräkna inimpedans, utimpedans och spänningsförstärkning för ett GE-steg även om någon kapacitans inte kan anses kortsluten eller om emitteravkopplingen utelämnats. (4-21) * Att kunna beskriva och förstå ett differentialförstärkares grundkonstruktion och funktion. (Common mode, differential mode.) * Att förstå innebörden av CMR-egenskapen hos en differentialförstärkare. * Att kunna beräkna CMRR-värdet för en differentialförstärkare. (B-33) * Att kunna beräkna spänningsförstärkningen för ett differentialförstärkarsteg med automatisk uppdelning av insignalen i två lika stora motfasiga insignaler. (B-34) * Att kunnna använda linjära transistormodeller för småsignalberäkningar på godtycklig typ av förstärkarsteg såväl med bipolar som FET-transistorer. (4-17, B-27, B-28) * Att kunna göra beräkningar på förstärkare bestående av fler olika typer av förstärkarsteg. (4-25, 4-26, B-29) * Att kunna beskriva principkonstruktionen av en OP-förstärkare. * Att kunna beskriva samt använda de tre gängse modellerna för OP-förstärkare vid beräkning på förstärkare innehållande OP. (4-35, 4-38, B-35, B-36) * Att kunna beskriva principfunktionen av en ideal OP-förstärkare. * Att kunna bestämma sambandet mellan utspänning och inspänning för olika typer av OPförstärkarkopplingar, t.ex. vanlig negativt återkopplad OP, icke-inverterande OP-förstärkare, integrator och olika typer av aktiva filter. (4-34, 4-36, 4-37, 4-39, 4-40) * Att kunna beskriva sambandet mellan råförstärkning och frekvens för en OP-förstärkare. * Att kunna redogöra för sambandet mellan frekvens och bandbredd för en OP-förstärkare. * Att kunna omvandla spännings- och effektförstärkningsvärden till db-värden och vice

7 versa. (4-27, 4-28, 4-33) * Att förstå begreppen db/oktav och db/dekad samt kunna beräkna dessa värden för filter och förstärkare. (4-31, 4-32) * Att förstå innebörden av begreppet kaskadkoppling, samt kunna bestämma total förstärkning vid kaskadkoppling av ett godtyckligt antal förstärkarsteg. (4-29, 4-30)

8 TSTE05 Elektronik och mätteknik Kursinformation 2011 Syfte-Kursomfattning-Kurslitteratur-Lärare-Föreläsningar-Laborationer- Inlämningsuppgifter Syfte Kursens syfte kan kortfattat beskrivas i följande att-satser: att ge en teoretisk grund för analys och syntes av såväl passiva som aktiva analoga kretsar att ge förståelse för funktionen av samt färdigheter i att analysera sådana kretsar att ge viss färdighet i elektronikkonstruktion att ge grundläggande kunskaper och färdigheter i elektrisk mätteknik För utförligare beskrivning se Målbeskrivning. Kursomfattning Föreläsningar: 17 x 2 = 34 timmar Lektioner: 11 x 2 = 22 timmar Laborationer: 6 x 4 (+ 1 x 2) timmar = 24 (+2) timmar Kurslitteratur Följande litteratur finns att köpa på de två universitetsbokhandlarna: Söderkvist: Kretsteori & Elektronik Söderkvist: Kretsteori & Elektronik, övningsbok Följande material kommer att kunna laddas ner från denna webbplats: Lab-PM Slides från föreläsningarna Notera att det på marknaden finns en stor mängd alternativ kurslitteratur. Om du köper någon annan bok än den ovan rekommenderade, så tänk på att boken åtminstone bör behandla grunderna i likströmsteori, växelströmsteori och enkla förstärkarsteg (inklusive operationsförstärkare). Exempel på bra böcker:

9 "Electric Circuits" av J.W. Nilsson & S.A. Riedel (Förlag: Addison-Wesley). Tar dock ej upp förstärkarsteg! Boken försäljs bl.a. av Akademibokhandeln. "Electric Circuit Analysis" av D. Johnson, J. Johnson & J. Hilburn (Förlag: Prentice-Hall). Tar inte heller upp förstärkarsteg! Bra för övrigt. Försäljs bl.a. av Akademibokhandeln. "Electronic Devices and Circuit Theory" av R. Boylestad & L. Nashelsky, 7:e upplagan (Förlag: Premtice-Hall). Tar upp halvledare och förstärkare, men ingen grundläggande lik- och växelströmslära. Till denna bok medföljer även en CD med en begränsad version av kretssimuleringsprogrammet Electronic Workbench. På CD:n finns även ett antal av de kretsar som förekommer i textboken. Amerikanska böcker av ovanstående slag är ofta ganska omfattande (och ibland relativt "pratiga") vad gäller textmassan. Boylestads och Nashelskys bok är t.ex. på ca. 920 sidor.. Lärare Föreläsningar Mikael Olofsson, Ing B27 1tr A-korr, rum 3A1tr455, tel , E-post: mikael@isy.liu.se Per Sandström, tel , E-post: persa@ifm.liu.se Lektioner MED2+Fyn2 - Mikael Olofsson E-post: mikael@isy.liu.se Y2a & Y2b - Rain Jääger, E-post: rainj@isy.liu.se Y2c - Mattias Krysander, E-post: matkr@isy.liu.se Yi2 - Carl Ingemarsson, E-post: carli@isy.liu.se Laborationer - ansvariga: Mikael Olofsson, E-post: mikael@isy.liu.se Per Sandström, E-post: persa@ifm.liu.se Föreläsningar 1-3 Likströmsteori. 4-6 Växelströmsteori. 7-8 Operationsförstärkare, aktiva filter Mätteknik Förstärkarteknik. Laborationer

10 5 st. vanliga laborationer à 4 timmar, samt 1 st projektuppgift, skall göras. Laborationerna genomföres i grupper om 2 teknologer/grupp. Lab 1: Komponenter. Lab 2: Se projektuppgift. Lab 3: Enkla förstärkarsteg. Lab 4: Multimeter och analogt oscilloskop Lab 5: Digitalt oscilloskop och pulsmätningar Lab 6: Elektriska störningar Inlämningsuppgifter Examinationen består av tre inlämningsuppgifter samt en projektuppgift, som inlämnas efter hand till examinator för rättning. Mätteknikdelen examineras med hemtentamen.

11 LINKÖPINGS TEKNISKA HÖGSKOLA Institutionen för Fysik, Kemi och Biologi Per Sandström Kursinformation för mätteknikdelen i TSTE05 Elektronik och mätteknik ht Organisation Ansvarig lärare: Per Sandström, tel I TSTE05 Elektronik och Mätteknik ingår en delkurs om mätteknik som går på IFM. Den går under ht2 och omfattar 6h föreläsning och 12h (3x4h) laborationer. 2. Kursinnehåll I kursen ingår grundläggande mätteknik. Hantering, funktionsprinciper och karakteristik hos basinstrument som används för mätning av grundläggande elektriska storheter (spänningskällor, multimeter, oscilloskop). Högfrekvensegenskaper hos kablar samt impedansanpassning. Fallgropar vid mätningar. Orsaker till och åtgärder för att minska elektriska störningar. Kursen består av tre laborationer med tre tillhörande föreläsningar. 3. Föreläsningsordning (föreläsning tar upp motsvarande laboration) Fö 1, mån v43, 8-10, sal A1 Egenskaper hos multimetrar och oscilloskop (Lab 4) Fö 2, tis v43, 15-17, sal A2 Digitalt oscilloskop och pulsmätningar (Lab 5) Fö 3, tors v43, 10-12, sal C2 Elektriska störningar (Lab 6) 4. Kurslitteratur Laborationshandledningar för mätteknikdelen i TSTE05, Elektronik och mätteknik, kan köpas på Bokakademien i Kårallen. Dessa innehåller även den teori som hör till kursen. Laborationshandledningarna är uppdelade på en till varje laboration hörande teori- och utförandedel. Lab 5 är med hänsyn till innehållet uppdelad på två teorioch två utförandedelar, där de två utförandedelarna genomförs vid ett och samma labtillfälle. Teoridelarna gås i genom vid respektive föreläsning. Numreringen på laborationerna är anpassad till resterande del av kursen. I mätteknikdelen handlar det alltså om tre labbar.

12 5. Laborationsschema Anmälan till laborationerna görs på internet via webreg.ifm.liu.se. Var noga med att anmäla er till olika tider för de olika laborationerna (dvs inte till tillfälle 1 på alla tre). Anmälan ska ske senast tisdagen den 1 november. Egenskaper hos multimeter och oscilloskop Digitalt oscilloskop och pulsmätningar: Elektriska Störningar 6. Krav för godkänt För att bli godkänd på mätteknikdelen av kursen krävs godkänt på alla labbarna samt godkänt på en mindre hemtentamen (eller hemdugga) på kursdelens centrala moment. Godkänd på labbarna blir man om aktivt deltar och slutför laborationerna. Godkänt på hemtentamen är 40% rätt svar.

13 Lab 4 Egenskaper hos multimeter osc oscilloskop Lab 5 Digitalt oscilloskop och pulsmätningar (2delar teori+2delar mätning) Lab 6 Elektriska störningar Lokaler: Fysikhuset A m p e r e E B-hus i B o h r n Lab 5 s E240 t e i Lab 4 n Lab 6 E242 E238 Per Sandström