Lab Tema 2 Ingenjörens verktyg Agneta Bränberg, Ville Jalkanen Syftet med denna laboration är att alla i gruppen ska kunna handskas med de instrument som finns på labbet på ett professionellt sätt. Och har börjat utveckla en arbetsmetod som är ingenjörsmässig. Målet är kunskaper om verktyg och arbetsmetoder som både sitter i händerna, i huvudet och som finns dokumenterat. Resultatet/redovisningen av den individuella uppgiften (uppgift 1-4) ska bli en instruktion till en nybörjarstudent (dig själv) som du kan ha nytta av i dina elektronikkurser framöver. Spara och dokumentera under labbens gång det underlättar. Resultatet/redovisningen av den gemensamma uppgiften (uppgift 5) ska bli en PROBE-instruktion som ska gå att använda på en annan studentgrupp. Valfritt hur det är utformat och ser ut. Tanken är att det ska finnas på plats i labbet och demonstreras på den muntliga redovisningen. Muntliga redovisningen planerar gruppen tillsammans och ska innehålla (valfritt framfört, 15min) 1. Vad vi tycker att vi lärt oss av denna lab. 2. En demonstration av hur PROBE-n fungerar med PROBE-instruktionen som underlag. Genomförandet: större delen av labben ska genomföras individuellt-tillsammans. Det betyder att alla ska koppla och vrida på sina egna kopplingar och instrument. Detta ska ske med gruppen samlad så att alla kan diskutera, reflektera och hjälpa varandra. Dokumentera gör var och en själv. Ord som du kan behöva kunna så småningom: seriekoppling, spänningsdelare, kopplingsplatta, resistor, motstånd, kondensator, kopplingsschema, insignal, utsignal, likspänning, växelspänning, sinuston, sinussignal, fyrkantvåg, koaxialkabel, probe, OrCAD, likspänningsaggregat, spänningskub, signalgenerator, tongenerator, oscilloskop, amplitud, periodtid, frekvens, vinkelfrekvens, offset, tidsplan, frekvensplan. För Godkänt gäller att allt ska finnas med samt vara korrekt och prydligt redovisat. För Väl godkänt på den individuella delen gäller att allt ska finnas med samt vara korrekt och prydligt redovisat i tid. Samt att du visar klart och tydligt att du förstår och själv kan tolka/analysera/förklara det du gjort/kommit fram till/mätt. Du ska kunna visa att Du har djupare kunskaper än att säga att svaret blev 7V. 1
Uppgift 1 - Seriekoppling Denna uppgift ska utföras med minst fyra olika kopplingar med varierat antal motstånd i serie. Kom ihåg att dokumentera noga hur man ska göra och vilka resultat du får. 1. Välj ut ett antal motstånd i området 1kOhm 100kOhm. Ta gärna likadana motstånd i er grupp. 2. Bestäm hur ni ska seriekoppla dessa motstånd och rita ett kopplingsschema. 3. Räkna ut ersättningsresistansen för seriekopplingen. 4. Beräkna ersättningsresistansen med Matlab. Tilldela de olika resistanserna egna variabelnamn som t.ex. R1. Redovisa skärmbild från Matlabs kommandofönster över dina beräkningar. 5. Mät med multimetern. 6. Verkar det stämma? Hur stora skillnader kan man få? Uppgift 2 - Spänningsdelare 1. Beskriv kortfattat hur en spänningsdelare fungerar (teori) 2. Rita ett kopplingsschema för en spänningsdelare i OrCAD (teori). Välj två likadana motstånd i storleksordningen 1-10kOhm. 3. Simulera och verifiera att den fungerar som det var tänkt (simulering). Titta på instruktionsfilmerna till OrCAD så får du se hur du ska rita scheman och simulera. 4. Verifiera spänningsdelaren med beräkningar i Matlab. Tilldela resistanser och spänningar lämpliga variabelnamn. Redovisa skärmbild från Matlabs kommandofönster. 5. Koppla upp kretsen på en kopplingsplatta. Använd dig av likspänningsaggregatet och en multimeter för att mäta upp att den fungerar (mätning). Dokumentera till rapporten. 2
Sinussignal En sinussignal kan beskrivas matematiskt som en funktion av tiden enligt uttrycket u(t) = A sin(ωt + φ) Vad är dess amplitud, frekvens, vinkelfrekvens, periodtid och fasvridning? En graf över en sinussignal kan exempelvis se ut på följande sätt: Man kan också beskriva sinussignalen som en funktion av frekvensen U(f) eller U(ω) där ω=2πf. En graf över U(f) för en sinussignal kan se ut enligt bilden nedan. På det här sättet ser vi sinussignalens frekvensinnehåll. Med hjälp av våra oscilloskop med inbyggd signalgenerator kan vi skapa en sinussignal och visa den både som funktion av tiden och som funktion av frekvensen. Vi kan alltså titta på en signal i både tidsplanet och frekvensplanet. 3
Uppgift 3 Oscilloskopet med inbyggd signalgenerator Sätt dig framför oscilloskopet i labbsalen hämta beskrivningen av oscilloskopet som finns på kurshemsidan. Bekanta dig med instrumentet genom att titta på det och jämför med manualens bilder. Det oscilloskop som finns på labbet innehåller även en signalgenerator/tongenerator. Slå på oscilloskopet och anslut en koaxialkabel mellan utgången och kanal 1. 1. Vilka typer av signaler kan du skapa i signalgeneratorn? Spara oscilloskopbilderna (gärna på ett USB-minne) 2. Justera så att du ser bilden av en sinussignal med frekvensen 15 khz och amplitud 2V. Hur gör du för att justera så att bilden ser bra ut (fyller en stor del av skärmen och visar ett fåtal perioder ungefär som i grafen ovan)? Spara därefter denna bild (både som.png och som.csv till senare uppgift) på ett USB-minne. 3. Gör även en frekvensanalys av signalen, dvs undersök signalens frekvensinnehåll. Använd funktionerna Math operator: välj FFT More FFT: justera Span och Center Cursor. Hittar du toppen på rätt ställe? Spara därefter bilden. Följande deluppgifter görs med Matlab. 4. Använd nu Matlab för att läsa in.csv-filen från deluppgift 2. Skriv följande i Matlab: x=csvread('filnamn.csv',2,0); På detta sätt läses filens innehåll in i variabeln x. Skriv därefter plot(x(:,1),x(:,2)). Nu bör du få en graf med samma sinuskurva som du hade på oscilloskopsskärmen. (Tänk på att filnamn.csv ska flyttas till Matlabs arbetskatalog) 5. Använd nu Matlab för att skapa en sinussignal med frekvensen 15 khz och amplitud 2V och därefter rita upp den. Börja med att skapa en följd av tidsvärden, dvs en tidsvektor som senare används för att skapa sinussignalen. Skriv t = tstart:tsteg:tstop i Matlabs kommandofönster, men välj först lämpliga värden för tstart, tsteg, och tstop. När du har skapat tidsvektorn, skriv length(t) för att se hur många värden du har i tidsvektorn. Gör en ny tidsvektor så att du nu får tusen stycken tidsvärden. Lyckas du? Du kan också prova funktionen linspace. Skriv help linspace för att läsa mer om den. 6. Rita upp två perioder av sinussignalen u = A sin(ωt) där ω = 2πf genom att skriva plot(t,u). Vad visas om du bara skriver plot(u) eller plot(t)? Parametrarna A och f väljer du enligt uppgiften innan. Hur väljer du dina tidsvärden så att du ser två perioder av sinussignalen? I din ritade graf ska axlarna ha rätt namn och enheter. Till din hjälp har du följande funktioner i Matlab: sin, plot, xlabel, ylabel. 4
Uppgift 4 - Spänningsdelaren och sinussignalen 1. Koppla en spänningsdelare med två motstånd på ca 1MOHm vardera (din krets) 2. Koppla in signalgeneratorn via en koaxialkabel till din krets 3. Koppla in oscilloskopet via två koaxialkablar. En som sitter och mäter insignalen och en som mäter utsignalen från din krets. Dokumentera din försöksuppställning 4. Ställ i signalgeneratorn så att du får en sinussignal som insignal till kretsen. 5. Ställ in oscilloskopet så att du ser signalerna på ett bra sätt. 6. Börja med en frekvens i storleksordningen 100Hz 7. Öka frekvensen allteftersom och se vad som händer med utsignalen. Skriv ner dina mätvärden på amplitud och frekvens. Notera vad som händer med den mätta utsignalen vid höga frekvenser. Du ska vrida upp frekvensen ända till max. Dokumentera (spara kopplingen) 8. Rita en bild i Matlab över amplitudvärdena mot frekvensvärdena. Dina mätningar ska visas med punkter eller cirklar (skriv help plot för att läsa mer om plot-funktionen). Lägg till namn och enheter på axlarna. En följd av värden, dvs en vektor, skapas genom att ange värden inom klammerparenteser. Exempel: x = [1 2 3 2 1] bildar vektorn x. Uppgift 5 - Att mäta med PROBEN 1. Byt ut koaxialkablarna som går till oscilloskopet mot prober. Gör om försöket med att variera frekvensen. Dokumentera hur det nu blev. Viktiga frågor att kunna svaret på 1. Varför är det bra att mäta med probe? 2. Vad måste man tänka på när man mäter med probe? 3. Hur justerar man en probe? 4. Hur kopplar man in en probe? 5. Vad ska man inte göra med proben? 5