Laboration: AD-omvandling och Thevenins teorem. Inbyggd Elektronik IE1206 Observera! För att få laborera måste Du ha: löst ditt personliga web-häfte med förkunskapsuppgifter som hör till laborationen. gjort alla förberedelser och förberedelseuppgifter som nämns i labhäftet. en bokad laborationstid i bokningssystemet. Vid laborationen arbetar ni i grupper om två studenter, men båda studenterna ansvarar var för sig för förberedelserna och för genomförandet. Ha med er var sitt labhäfte till laborationen. Framsidan används som ditt kvitto på att laborationen är genomförd. Spar kvittot tills Du fått hela kursen bokförd i Ladok. Eftersom detta är ditt labkvitto måste Du fylla i tabellen med bläck. 1
Inledning AD-omvandlaren Vår omvärld är analog, och det är mycket vanligt med analoga sensorer när man "tar in" mätvärden till ett inbyggt system. Många inbyggnadsprocessorer är försedda med en AD-omvandlare. Tvåpolssatsen För elektroniken är tvåpolssatsen helt central. Den säger att till varje, komplicerad, linjär krets kan man finna en ekvivalent enkel krets, bestående av en spänningskälla med en inre resistans. I praktiken innebär det att vi har samma enkla modell, en emk i serie med en resistor, för alla analoga sensorer vi kan behöva använda. Bara tillverkaren behöver känna till alla detaljer om sensorns fullständiga kretsschema. I laborationen exemplifierar vi tvåpolssatsen med en belastad spänningsdelare, och vi mäter ström och spänning från den med PIC-processorns AD-omvandlare. Vi kopplar också upp kretsens ekvivalenta tvåpol och gör samma mätningar på den. Om mätresultaten från de två mätningarna blir lika, verkar tvåpolssatsen "trolig". Samtidigt får vi tillfälle att öva med AD-omvandlaren. Målet med laborationen Orientera dig om hur man konfigurerar en AD-omvandlare. Praktisera mätning av spänning och ström med AD-omvandlare. Visa hur man mäter bipolära spänningar. Praktisera användning av inre och yttre referens till AD-omvandlaren. Visa hur man utformar program för mätvärdespresentation. Lära dig att beräkna tvåpolsekvivalenter. Praktisera mätningar med digital Multimeter. Observera! Det kan hända att din laborationstid ligger före det att alla kursmoment som kan behövas för laborationen har förelästs. Du måste i så fall själv läsa på i förväg - det finns länkar till alla föreläsningar och övningar. 2
PIC-processorns AD-omvandlare Läs i Microchips PIC16F690-manual om hur AD-omvandlaren konfigureras. Spänningsharverarkrets TLE2426 ADvolt.c AD2pol.c Förberedelseuppgift 1 (görs innan lab) AD-omvandlaren som Volt-meter Programmet ADvolt.c gör en mätning av spänningen på AN2/RA2, pinne 17, varje gång man trycker på knappen. Till små enchipsprocessorer undviker man att arbeta med flyttal. Flyttalsoperationerna tar mycket plats. Variabeln advalue får 10-bitars heltalsvärdet 1023 när man mäter matningsspänningen 5V. Om man multiplicerar advalue med en konstant, SCALE_FACTOR, så att siffran blir 50000, blir mätvärdet mer begripligt för användaren. (Resultatet av multiplikationen får maximalt bli 65535 för att rymmas i en 16 bitars unsigned long). Om man sedan dessutom skjuter in ett decimalkomma inuti utskriften som "5,0000" så är vi klara med en användarvänlig presentation av mätvärdet. Vilken heltalskonstant, SCALE_FACTOR i programmet, ska man multiplicera 10-bitars AD-värdet med för att siffrorna ska bli rätt (inom 1%)? Studera funktionen void longdecimal_out(long number, char decimalplaces, bit un_signed); Den delar upp variabeln number i fem ASCII-siffror, och skriver ut dem med ett decimalkomma före de antal decimaler som anges av variabeln decimalplaces. Med bitvariabeln un_signed anger man om det är ett positivt tal "+", eller om det är ett tal med tecken "+", "-", som skrivs ut. 3
Hur många av de fem siffrorna ska vara decimaler? Välj konstanten DECIMALS. Bipolär mätning På kopplingsdäcket finns en spänningshalverarkrets. Om man mäter spänningen i förhållande till "spänningshalverarens" utgång (2,5V), så kommer de uppmätta spänningarna att kunna vara både positiva eller negativa i förhållande till denna. Bipolär mätsignal. AD-omvandlarens värde måste minskas med en konstant, OFFSET, som förskjuter 0-punkten. #define UN_SIGNED 0 (falskt) behöver det nu stå för att utskriftsfunktionen ska skriva ut AD-värdet med tecken. Vilket värde ska konstanten OFFSET ha vid bipolär mätning? Du måste studera programmen så att Du är beredd att kunna förklara dem vid laborationen. Labbuppgift 1 Kompilera och ladda ned ditt förbättrade program ( ADvolt.c med ändrade konstanter ) enligt förberedelseuppgift 1. Mät spänningen på "spänningshalverarkretsens" utgång, det utskrivna talet bör vara nära 2,5 V - eller hur! Mät matningspänningen ( +5 V ) och jord ( 0 V ). Ändra programmet ( ADvolt.c med konstanter för bipolär mätning ) enligt förberedelseuppgift 1. Mät spänningen på "spänningshalverarkretsens" utgång, det utskrivna talet bör vara nära 0 V. Mät matningspänningen ( +2,5 V ) och jord ( -2,5 V ). 4
Anslut en kopplingssladd till "spänningshalverarens" utgång och mät ett 1,5 V- batteri mellan denna ledning och AD-omvandlarens AN2. Byt polaritet på batteriet - blir beloppet detsamma ( fast med olika tecken )? Om inte, så skulle man kunna justera konstanten OFFSET för att rätta till detta ( = justera med halva felet ). Förberedelseuppgift 2 (görs innan lab) Mätning med flera AD-omvandlarkanaler Programmet AD2pol.c ska göra mätningar med två AD-kanaler AN2 och AN3. AD-omvandlarens kanalval måste konfigureras om i programmet mellan mätningarna. Kanalvalet sker i registret ADCON0. Läs på om AD-omvandlaren i Microchips PIC16F690-manual. För in de rätta värdena på konstanterna AN2_SELECT och AN3_SELECT, kompilatorn Cc5x tillåter att man använder binära konstanter om man inleder med 0b ( inte ANSII-standard - men bekvämt ). Du måste även föra in värden på konstanterna SCALE_FACTOR och DECIMALS_I och DECIMALS_U. Du måste studera programmen så att Du är beredd att kunna förklara dem vid laborationen. Labbuppgift 2 Kompilera och provkör ditt "rättade" program ( AD2pol.c med ändrade konstanter ) enligt förberedelseuppgift 2. Mät med AN3 och AN2 anslutna till +5V, sedan 2,5V (spänningshalveraren) och till sist 0V. Mätvärdena ska bli ungefär (50mA 5V), (25mA 2.5V) och (0mA 0V) om Du gjort rätt. 5
Beräkningar och mätningar på tvåpol Vid laborationen kontrollerar vi tvåpolsatsen. En spänningsdelare med två 1 kω resistorer och matningspänningen 5 V som emk, belastas med ett vridmotstånd med justerområdet 1100Ω... 100Ω. Detta jämförs med den ekvivalenta tvåpolen, med halva matningsspänningen (från en "spänningshalverarkrets") och med de två resistorerna parallellkopplade. Förberedelseuppgift 3 (görs innan labb) Beräkna spänning U och ström I från tvåpolen med spänningsdelaren när den belastas med en resistor R L. R L har värdena 100Ω, 500Ω, 1000Ω. Pricka in de tre punkterna i IU-diagrammet. Hamnar dom på linje? Var beredd att redovisa dina beräkningar inför de övriga deltagarna vid laborationen. Beräkna spänning U och ström I från den ekvivalenta tvåpolen när den belastas med en resistor R L. R L har värdena 100Ω, 500Ω, 1000Ω. Pricka in de tre punkterna i IU-diagrammet. Hamnar dom på linje? Var beredd att redovisa dina beräkningar inför de övriga deltagarna vid laborationen. 6
IU-diagram Studera punkterna i diagrammen. Ange räta linjens ekvation för dessa, I = f (U ) med sorterna i ma och V. Yttre referens - högre mätnoggrannhet Av beräkningarna ovan bör det framgå att utspänningen från spänningsdelaren, eller dess tvåpolsekvivalent, aldrig kommer att överstiga 2,5V. AD-omvandlaren har då onödigt stort mätområdet 0... 5V. Om vi ansluter spänningshalveraren som 2,5V yttre referens till AD-omvandlaren så dubblar vi mätnoggrannheten. Detta blir speciellt viktigt för strömmätningen som alltid kommer att ha det lägsta mätvärdet. För att använda yttre referens på pinne RA1/AN1/Vref måste konfigureringen av ADCON0 i programmet AD2pol.c ändras. Tag reda på, och skriv upp värdena på konstanterna AN2_SELECT och AN3_SELECT för detta. 7
Eftersom mätområdet halveras ska även skalningen ändras. Det gör Du enklast vid laborationen genom att kommentera fram //advalue /= 2; /* uncomment when 2,5V reference */ på två ställen i programmet. Gå igenom tutorial Spara mätvärden med PICKit2 UART Tool, om hur man sparar mätvärden i en textfil, så att Du är förberedd på detta vid laborationen. Du måste studera programmen så att Du är beredd att kunna förklara dem vid laborationen. Labbuppgift 3 Spänningsdelaren, och sedan den ekvivalenta tvåpolen, belastas med en vridresistor. Spänningen U på utgången A mäts direkt med AN2, medan strömmen I mäts indirekt som spänningsfallet över ett 100 Ω mätmotstånd med AN3. Referensspänningen från "spänningshalverarkretsen" ska anslutas till AN1/RA1/REF/PGC - OBSERVERA att denna pinne även används vid chipprogrammering! Man kan inte använda båda funktionerna referensspänning och chipprogrammering samtidigt! Kontrollera vid labbplatsen om programversionen av Excel använder decimalpunkt, eller decimalkomma? Är det decimalpunkt som gäller måste Du införa detta som en ändring i programmet AD2pol.c. 8
Bygg upp spänningsdelarkretsen på kopplingsdäcket, anslut belastningen med vridresistorn, och anslut mätledningar till AN2 och AN3. Ledningen till AN1/REF/PGC från spänningshalverarkretsen får inte vara inkopplad under chipprogrammering! Inför ändringarna från förberedelseuppgift 3 till programmet AD2pol.c, så att det använder yttre 2,5V-referens. Kompilera och ladda ned koden till chippet. OBSERVERA att man inte kan ha yttre referensspänningen inkopplad medan man laddar ned koden. När chip-programmeringen är klar, drar Du försiktigt ur stiftet med den röda PGC-ledningen från kopplingsdäcket, och ansluter ledningen från spänningshalverarkretsen i stället. Skulle Du behöva programmera om chippet så måste ledningarna byta plats igen. Båda får inte vara inkopplade samtidigt. Genomför mätningen. Spela in mätvärdena till en textfil. Se "Spara mätvärden med PICKit2 UART Tool". Tryck på knappen för att få ett mätvärdespar, och ändra vridresistorn mellan mätvärdeparen. (Det går fort att göra mätningen, så gör om den om Du missat något). För över textfilen till ett excel-dokument. Stämmer kurvan i excel-figuren överens med kurvan i din förberedelseuppgift 3? Blir det samma ekvation I = f (U )? Visa labbassistenten! Koppla nu om kretsen till theveninekvivalenten. Halva spänningen får man naturligtvis från spänningshalverarkretsen, och en resistor med samma värde som de två resistorerna i parallell får man naturligtvis genom att parallellkoppla dom. Spela igen in mätvärden till en textfil och för över textfilen till ett exceldokument. Stämmer kurvan i excel-figuren överens med kurvan i din förberedelseuppgift 3? Blir det samma ekvation I = f (U )? Visa labbassistenten! 9
Labbuppgift 4 (vid labb i sal 305) Mäta med Multimeter Fluke45 Fluke45 är en klassisk digital multimeter. Den kan mäta spänning, ström, resistans, frekvens mm. Till multimetern använder man labb-sladdar med sk. banankontakter (inte ser dom väl ut som bananer?). Ska man mäta på komponenter på ett kopplingsdäck behöver man sedan också övergångskontakter med stift. Spänningsmätning Spänningsmätning. Välj med likspännings knappen. Spänning över en komponent mäter man genom att koppla uttagen V (+) och COM (-) parallellt med komponenten. Mät 5V-spänningen från USB-kontakten till kopplingsdäcket. Standarden tillåter en avvikelse på ± 0.25 V så det kan vara bra att veta det aktuella värdet. 10
Strömmätning Strömmätning. Välj med likströmsknappen. Strömmen genom en komponent mäter man genom att "bryta upp" strömkretsen och i serie koppla in uttagen 100 ma (+) och COM (-). Strömmen passerar då igenom instrumentet. Det är lätt att koppla in multimetern fel vid strömmätning - i värsta fall orsakar man en kortslutning med hög ström till följd. Figuren visar att man bör börja med uttaget märkt 10A och först när man sett att strömmen är lägre än 100 ma byta till uttaget 100 ma. Det senare uttaget har en inbyggd säkring (500 ma) och på det sättet är man säker på att inte behöva byta denna. Resistansmätning Resistansmätning. Välj med OHM-knappen. Resistanser mäter man genom att koppla uttagen Ω och COM parallellt över resistorn. Resistorn får inte vara kopplad till andra komponenter - åtminstone en anslutning måste vara fri från den övriga utrustningen för att mätvärdet ska bli riktigt. Mät 1 kω resistorerna. Vi använder resistorer med 5% tolerans så värdet kan avvika något. 11
Samtidig mätning av spänning och ström Multimetern har en tvådelad display som kan användas för samtidig mätning av spänning och ström. När man mäter spänning och ström var för sig så kan förhållandena vara olika vid de två mätningarna - samtidig mätning är därför att föredra. De strömmätande och spänningsmätande delarna av instrumentet har anslutningen COM gemensam så man har inte full valfrihet hur man kan koppla in instrumentet till kretsen. Det är vanligt att någon storhet får fel riktning och visas med minustecken, men det kan man i så fall ignorera. Vi väljer en inkoppling som inte kräver några förändringar på kopplingsdäcket, men då kommer både spänning och ström visas med minustecken (som vi ignorerar). Samtidig mätning av Spänning och Ström. Välj med V-knappen följt av 2NDknappen och A-knappen. Kretsen kopplas in till anslutningarna V och COM och 100 ma som figuren visar. Mät samhörande värden på spänning och ström för tre olika inställningar för belastningspotentiometern. För in värdena i diagrammet - blev det samma linje som tidigare? 12
Har Du tid över? Om Du är väl förberedd inför laborationen, så har Du förmodligen nu tid över för en "frivillig" uppgift. Den tvåpol Du nu har beräknat och mätt på, kan också simuleras med LT-spice. Du kan packa upp LTspiceIV.zip på ditt H:, skapa tex. mappen H:\LTspiceIV. Läs mer på : Simulera med LT-Spice Ett färdigritat schema finns som IU.asc. Simulera kretsen. Du kan sedan enkelt ändra det till ett schema över tvåpolsekvivalenten för att undersöka om båda simuleringarna ger samma resultat. 13
Har Du tid över? Om Du är väl förberedd inför laborationen, så har Du förmodligen nu tid över för en "frivillig" uppgift. Be labb-assistenten om ett skjutmått med pålimmad skjutpotentiometer. Uppgiften blir att använda den potentiometern i stället för vrid-potentiometern och mäta spänningen från denna. Utgå från programmet ADvolt.c och finn en skalning av mätvärdena som stämmer med skjutmåttets millimeterskala. ADvolt.c Regelboken.PDF Lycka till! När Du är klar. Återställer Du utrustningen enligt bilden för Laborationsuppgift 1. Var försiktig när Du sätter tillbaks stiftet för den röda PGC ledningen så att Du inte skadar detta. Städa labplatsen. Material-lista Om Du någon gång skulle behöva bygga en liknande experimentutrustning, kan Du här se vilka komponenter vi använt. Kopplingsdäck GL-12F ELFA 48-427-04 Microcontroller 8 Bit DIL-20, PIC16F690-I/P ELFA 73-793-58 Virtuell jordreferens TO-92, TLE2426CLP ELFA 73-242-62 Trimpot cermet 1 ko Linjär 500 mw, 72PTR1KLF ELFA 64-634-42 Resistor 2st 10k. Resistorer 2 st 1k, 1 st 100 ohm. 1 st Lysdiod med seriemotstånd 5V röd ELFA 75-012-59 Kretskortsströmställare 24 VDC 50 ma, 3CTL9 ELFA 35-680-78 Byglar: 8 orange, 4 gul, 5 grön, 1 röd. 14