TSTE92 Elektriska kretsar Kopplingslabbar och mjukvarulabbar

TSTE92 Elektriska kretsar Kopplingslabbar och mjukvarulabbar 28 september 2017 Laborant 1 (Lab 2) Student-ID 1 Personnummer 1 Datum för godkännande Laborant 2 (Lab 2) Student-ID 2 Personnummer 2 Datum för godkännande 1

Innehåll 1 Seminarium 1 Introduktion till labbet 4 1.1 Förberedelseuppgifter....................... 4 2 Seminarium 2 - Introduktion till simulatorn 5 2.1 Tutorial.............................. 5 2.2 Börja mata in/simulera era hemuppgifter............ 6 3 Laboration 1 - Simulering av hemuppgifter 7 3.1 MultiSim - inlämningsuppgift 1................. 7 3.2 MATLAB - inlämningsuppgift 1................. 7 3.3 MultiSim - inlämningsuppgift 2................. 7 4 Laboration 2 - Koppla och mäta 9 4.1 Förberedelseuppgifter....................... 9 4.2 Karakterisering av ett batteri.................. 11 4.2.1 Uppmätning av IV-karaktäristik............. 11 4.3 Karakterisering av citronbatteri................. 14 4.3.1 Uppmätning av effektöverföringskaraktäristik...... 14 4.4 RC-Krets............................. 17 4.4.1 Beteendet med sinusformade spänningar........ 18 4.4.2 Beteendet med fyrkantspulser.............. 20 4.5 Redovisning av laborationen................... 20 5 Laboration 3 - Projektet, dvs hemuppgift 3, simuleringar 24 5.1 Beräkningar............................ 24 5.2 Simuleringar med exakta värden................. 24 5.3 Simuleringar med avrundade värden............... 24 6 Laboration 4 - Projektet, dvs hemuppgift 3, uppkoppling och redovisning 25 6.1 Verifiering............................. 25 6.2 Rapportering........................... 25 7 Labutrustning 27 7.1 Introduktion............................ 27 7.2 Starta NI ELVISmx Instrument Launcher............ 30 7.3 Kopplingsplattan och anslutningar till instrumenten...... 32 7.4 Användning av DMM....................... 33 7.5 Övrig utrustning......................... 33 2

Allmän information Detta labbkompendium innehåller information dels kring de två, tre seminariena som ges i början av kursen, samt till de laborationer som kommer senare i kursen. Förberedelseuppgifterna (kapitel 1.1) ska utföras inför laborationstillfällena och måste vara klara när ni kommer om ni ska få ut komponenter att laborera på. Det är er egen tid ni äter upp om ni inte är förberedda och assistenten låser in komponenterna igen efter fyra timmar och lämnar lokalen. Målet med laborationerna är att få större insikt och känsla för de olika komponenter och fenomen som förekommer i elektriska kopplingar vad gäller så kallad svagström och låga frekvenser. Ytterligare ett syfte med laborationen är att ge träning i användning av den miljö för prototyputveckling kallad Elvis II+. Notera att ni under laborationerna ska samla in data i olika former och rita figurer och föra tabeller. Använd gärna ett kalkylark och grafritare (Excel, LibreOffice, googledocs) för att göra detta. Ni kan också ta bilder från skärmen och klippa in i ett ordbehandlingsprogram för att sammanfatta resultaten. Seminarier I början av kursen, under de första veckorna, har vi schemalagt ett antal seminarier som ska användas för att bekanta sig med labbet och de mjukoch hårdvaruverktyg som ska användas. Dessa tillfällen är inte obligatoriska, men det rekommenderas starkt att vara med för att förenkla för sig själv senare. Kom väl förberedda till seminarierna också för att få ut så mycket som möjligt av materialet. Laborationer (dvs laboration 1 och 2) Läs noga igenom labkompendiet och besvara förberedelseuppgifterna innan laboration 1 till 4. Projektet (dvs laboration 3 och 4 med tillhörande inlämningsuppgift) Läs noga igenom labkompendiet och besvara förberedelseuppgifterna innan laboration 1 till 4. 3

1 Seminarium 1 Introduktion till labbet Under de första seminarietillfällena träffas vi i hårdvarulabbet TRANSISTORN i B-huset. Assistenten kommer att visa er de mjukvaruverktyg och hårdvara och annat praktiskt för att ni ska komma igång med nomenklaturen och för att kunna lätt orientera er under kommande tillfällen. Seminarierna kommer vara en form av föreläsningar, fast med praktiska inslag och moment som ni ska lösa under tillfället. 1.1 Förberedelseuppgifter Uppgift 1. Studera lite översiktligt avsnitt 7 - i slutet av detta dokument - som beskriver mätinstrument och annan utrustning som skall användas i laborationskursen. Mer information fås även här: http://www.ni.com/pdf/manuals/374629c.pdf Tänk på följande frågor: Hur startar jag ELVIS-II+ plattan? Hur startar jag den mjukvara som behövs till ELVIS-II+ plattan? Skumma även igenom följande kapitel i läroboken (eller hitta på nätet bilder som beskriver hur motstånd och kondensatorer ser ut). Kapitel 3.2.1-3.2.6 (motstånd) Kapitel 3.3.1 och 3.3.4 (kondensatorer) och tänk på följande frågor: Hur ser jag på ett motstånd hur många Ohm det är? Hur ser jag på en kondensator hur många Farad det är? Övrig information ges under seminarietillfället. Om tid finns över rekommenderas studenten att också börja titta på seminarum 2 (kapitel 2) då dessa också kan utföras i TRANSISTORN. 4

2 Seminarium 2 - Introduktion till simulatorn I detta seminarium ska vi börja lära oss simulera på elektriska kretsar. Laborationen/seminariet går i princip ut på att göra en tutorial som finns tillgänglig från program- och hårdvarutillverkarens sida. Mjukvaran hittas lätt under Startmenyn, Program, National Instruments, Design Suite. Ni kommer få hjälp under seminariet att se till så allting startar som det ska. Programvaran kan också laddas ner till er egen dator under studentlicens så att ni kan arbeta även hemma. Det finns även möjlighet att köra delar av verktyget online: http://www.multisim.com Nedan listar vi två moment som kan utföras under seminariet. Planera tiden väl och kom förberedd. Titta gärna på videosnuttarna givna i texten nedan. 2.1 Tutorial Under seminariet ska vi genomföra en tutorial för att komma igång med arbetet. En tillräckligt ny version av tutorial finns här: http://www.ni.com/pdf/manuals/374482d.pdf Mer information kan du också få via filmer här: http://www.youtube.com/watch?v=tgcpdbtrcso http://www.youtube.com/watch?v=pg4di5s8fno http://www.youtube.com/watch?v=qvr86galhuc Några av kanalerna visa fler filmer om hur man kan använda programvaran. Under seminarietillfället så genomför själva tutorialen. Det skadar naturligtvis inte att ni har provat även hemma först. Kolla så att du har förstått följande: Visa att du har matat in schemat enligt instruktionerna Visa att du kan köra simuleringen: 7-segmentet ska toggla om du trycker på de olika switcharna, operationsförstärkarens ingång/utgång ska synas i oscilloscopet/ grapher. Visa att du förstår hur man kör en så kallad AC-analys (frekvensgång). 5

2.2 Börja mata in/simulera era hemuppgifter Under kursen har ni tre hemuppgifter. Utnyttja tillfället till att börja mata in era kretsar och fråga assistenten om råd. Det ni inte hinner göra nu, det hinner ni också göra under Laboration 1. I projektuppgiften (laboration 3 och 4) ska ni simulera ett filter (högpass eller lågpass, dvs diskant eller bas) och även senare koppla upp den i hårdvarulabbet. Ett par mallfiler, dvs scheman för simulering av kretsar som liknar de som ni kommer använda i projektet, finns också tillgängliga för nedladdning från kurshemsidorna. Be labbassistenten att hjälpa er. Se till att spara undan filerna för framtida arbete och se till så att ni sparar dem så att ni kommer åt dem från PC-systemet. Ni ska med dessa filer sedan kunna verifiera att ni har räknat ut rätt komponentvärden och på så sätt vara väl förberedda för att koppla upp systemet i verkligheten. 6

3 Laboration 1 - Simulering av hemuppgifter I kursen ska ni lämna in två hemuppgifter samt även miniprojektuppgiften (dvs hemuppgift 3). I de två första hemuppgifterna ska ni förenkla och beräkna t.ex. ström och effekt och anpassning för olika typer av nät. För detta ändamål är MATLAB ett kraftfullt verktyg. Det finns gott om fria verktyg såsom octave eller paket skrivna i python, och till och med excel, som kan vara användbara för ändamålet. Notera att vi i denna laboration kommer fokusera på uppgift 1 och att ni från dessa resultat kommer kunna utöka och använda på hemuppgift 2. Blir ni klara tidigt med inlämningsuppgift 1 så kan ni börja med uppgift 2 och få hjälp av assistenten. 3.1 MultiSim - inlämningsuppgift 1 I seminarium 2 började vi titta på hur man kunde simulera sina hemuppgift med MultiSim (kretssimulatorn). Så uppgiften är helt enkelt att fortsätta med detta och använda simuleringsresultaten till att få rätt svar på er uppgift. Fokusera på hemuppgift 1 i första hand för att förstå bättre. Laborationsassistenten kommer under tillfället meddela er om det är rätt svar och hjälpa er mot att hitta rätt svar. 3.2 MATLAB - inlämningsuppgift 1 Denna del kan utföras om vi har hunnit bekanta oss med nodanalys under föreläsningar, annars avvakta. Vi börjar med ett mindre exempel: Beräkna strömmen I för kretsen i figur 1 genom att använda nodanalys. Använd föreläsningsmaterialet och MATLAB-kod som hämtas från kurshemsidorna. Ställ upp ekvationerna på papper först och mata sedan in dem i MATLAB enligt förslagen i filerna. Notera att värdena i exemplen skiljer sig från era. Nästa uppgift är att köra igenom ekvationslösningen för hemuppgift 1. Ni har fått en exempelfil från kurshemsidan. Modifiera denna kod så att den stämmer med er krets så att ni kan utföra nodanalysen och få ut värden. Från första delen av laborationen har ni redan fått ut rätt svar. 3.3 MultiSim - inlämningsuppgift 2 I tidigare seminarium har ni matat in era hemuppgifter. Hämta schemat för uppgift 2 och simulera det i tidsdomänen (transientanalys). Ni ska med hjälp 7

Figur 1: E = 10V, R 1 = 10Ω, R 2 = 5Ω, R 3 = 10Ω, R 4 = 10Ω, R 5 = 5Ω och R 6 = 10Ω. av mätverktygen kunna bestämma fas och amplitud för den sökta spänningen/strömmen i uppgift a (på hemuppgiften). 8

4 Laboration 2 - Koppla och mäta I den här laborationen ska vi använda hårdvarudelen av Elvis-plattformen. Vi har under det första seminariet gått igenom detta i viss utsträckning. 4.1 Förberedelseuppgifter Genomför förberedelseuppgifterna för att kunna få ut komponenter från labbhandledaren. Vi kommer använda oss av resurstillfällen att titta på förberedelseuppgifterna. Uppgift 2. I avsnitt 4.2 ska den inre resistansen av ett batteri beräknas genom att koppla en dekadresistans till batteriet. Figur 2 visar ett kretsschema för uppkopplingen där E betecknar batteriets tomgångsspänning, R i den inre resistansen, R L dekadresistansens värde samt U L spänningen över lasten. Hur beräknas strömmen I L samt den inre resistansen R i givet spänningen U L och resistansen R L?... R i E U + R L + U L _ I L Figur 2: Modell av ett batteri kopplat till en last med resistans R L. Uppgift 3. Antag att du har ett batteri med en given spänning E volt. Hur skall man koppla N batterier för att få NE volts utspänning?... Uppgift 4. Antag att ett batteri med inre resistans R i driver ström genom en resistans R L enligt figur 2. Vid vilket förhållande mellan inre resistans, R i, och lastresistans, R L, fås maximal effekt i lasten? 9

... Uppgift 5. Beräkna gränsfrekvensen för filtret i mätuppgift 4.4.1.... 10

4.2 Karakterisering av ett batteri Uppgiften i denna del är att bestämma den inre resistansen för ett batteri. Till detta behövs följande: Digital multimeter (DMM) i ELVIS-miljön. Batteri Dekadresistans (stor, svart låda ) Diverse sladdar Viktigt: kortslut aldrig batteriet och ha batteriet inkopplat bara under tiden du mäter. I och med att vi inte kan kortsluta batteriet, det att det inte är möjligt att direkt mäta batteriets kortslutningsström med multimetern (som vi gjorde i t.ex. hemuppgift 1). Dessutom kan resistans bara mätas i en krets som inte är spänningssatt och därmed är det inte hellermöjligt att mäta den inre resistansen direkt i batteriet genom att t.ex. använda sig av multimetern i Ohm -läge. För att bestämma batteriets inre resistans (R i ) skall en dekadresistans kopplas till batteriet enligt figur 2. Genom att dels mäta spänningen U L över dekadresistansen samt dekadresistansens resistans R L för olika inställningar så kan motsvarande ström genom lasten I L beräknas. Naturligtvis är det då samma ström som går genom batteriet och därmed kan också den inre resistansen beräknas. Det är sedan möjligt att extrapolera (beräkna vad som händer utanför mätvärdena) fram kortslutningsströmmen och därmed bestämma den inre resistansen. Detta gör ni genom att anpassa en rät linje till era mätvärden och se var den kostar y- och x-axlarna i ert diagram. Vid mätning av spänning eller resistans används COM-anslutningen samt V Ω-anslutningen på DMM:en på Elvis. Uppgift 6. Mät tomgångsspänningen på batteriet. Vad blir den?... 4.2.1 Uppmätning av IV-karaktäristik Mät alltså resistans och spänning för olika inställningar av R L och för in era mätresultat i tabell 1. Här kan det vara vettigt att använda datorn framför dig 11

Uppmätt resistans Uppmätt spänning Beräknad ström Inre resistans [Ω] [V] [A] [Ω] Tabell 1: Exempel på tabell för att anteckna uppmätta värden för mätning av batteriström. Men, som sagt, här kan det vara bra att använda datorn. också för att fylla i värdena i ett kalkylark/matlab. Beräkna motsvarande ström och inre resistans enligt svaret till förberedelseuppgifterna. Exempel på lämpliga resistanser R L att prova med kan vara 0.5, 0.7, 1.0, 1.5, 2.5, 5.5 och Ω (dvs avbrott för att mäta tomgångsspänningen). Värdet på dekadresistansen är svårt att ställa in rätt bara genom att vrida på rattarna. Observera att det inte är viktigt att exakt sätta R L till de rekommenderade värdena ovan, men ni bör kontrollmäta det ni ställt in och anteckna dessa noga i tabellen. Obs! Använd inte lägre resistans än 0.5 Ω för då laddas batterierna snabbt ur! Uppgift 7. För in mätvärdena från tabellen i figur 3 och extrapolera fram kortslutningsströmmens storlek, dvs då U L = 0 V (när skär kurvan de olika axlarna?). Kortslutningsströmmen för batteriet är:... 12

Ström genom lasten, I L [A] Spänning över lasten, U L [V] Figur 3: Diagram för att föra in ström- och spänningsvärdena från tabell 1. Notera att det kan vara enklare för hjärnan att ha U L på y-axeln och I L på x-axeln. Kolla läroboken! Tips! Det finns hjälpmedel i libreoffice Calc och Excel s grafritare som kan göra extrapoleringen åt er. Prova er fram! Uppgift 8. Vad blir den inre resistansen om den beräknas med hjälp av tomgångsspänningen och kortslutningsströmmen (dvs det extrapolerade värdet från ovan):... Uppgift 9. Stämmer den inre resistansen beräknad ovan med de beräknade i tabell 1? Kommentarer?... 13

4.3 Karakterisering av citronbatteri För denna del av laborationen ska ett citronbatteri först byggas. För detta och följande mätningar krävs: Citron Förzinkad spik Kopparföremål, till exempel, ett gem eller en tentamenspåseklämma Digital multimeter (DMM) i ELVIS-miljön. Dekadresistans (samma svarta låda för batteriet) Diverse sladdar Stoppa i zink- samt kopparföremålen i citronen så att dessa har galvanisk kontakt med varandra, dvs, sitter i samma klyfta. (Vad händer om de inte sitter i samma klyfta?). Uppgift 10. Mät tomgångsspänningen med hjälp av DMM:en. Dvs, vad har du för spänning mellan spiken och gemet/klämman?... 4.3.1 Uppmätning av effektöverföringskaraktäristik Bestäm nu den inre resistansen hos citronen genom att belasta den med den resistans som ger den största effektutvecklingen i lasten. För att göra detta så behöver man mäta den resulterande spänningen för olika resistiva belastningar och föra in mätvärden i tabell 2. Notera att lämpliga värden är mycket högre än för batteriet (citronen är inget bra batteri, annars hade vi haft det i våra mobiltelefoner...) För sedan också in mätvärdena från tabellen i figur 4 och bestäm den inre resistansen utgående från detta (dvs, var är effekttoppen någonstans?) Tips! Det finns hjälpmedel i libreoffice Calc och Excel s grafritare som kan hitta toppen åt er. Prova er fram! Uppgift 11. Den inre resistansen för citronbatteriet är:... 14

Uppmätt resistans Uppmätt spänning Beräknad ström Effekt i lasten [Ω] [V] [A] [W] Tabell 2: Tabell för att föra in de värden som uppmäts vid mätning av effekten från citronbatteriet. Här kan det vara praktiskt att använda t.ex. Excel eller liknande kalkylark i datorn. 15

Effekt i lasten, P L [W] Lastresistans, R L [Ω] Figur 4: Diagram för att föra in resistans- och effektvärdena från tabell 2. Uppgift 12. Nu när ni har bestämt tomgångsspänningen för citronen och dess intre resistans. Vad är den maximala strömmen som går att få ur citronbatteriet? (Återkom till denna fråga om du är osäker och kanske ännu inte gjort batterilabben).... 16

4.4 RC-Krets Av labbassistenten ska du ha fått två komponenter (en kondensator och ett motstånd). Dessa ska kopplas upp som visas i figur 5 på kopplingsplattan (ELVIS). Kondensatorn C är typiskt en mer fyrkantig komponent med två anslutningar längst ned. Resistansen är typiskt en avlång komponent med några färgade band. Det finns ett flertal möjliga markeringar, varav den enklaste är brun, svart, gul, guld. + R + R = 10 kω u in C u ut C = 10 nf Figur 5: Uppkoppling för mätuppgift 4.4.1. OBSERVERA! Kontrollmät alltid före användning att de komponenter som ska kopplas in har korrekt resistans eller kapacitans. Det är inte alltid de har kommit tillbaka rätt i lådan. Det kan också variera ganska mycket pga tolerans. Kontrollmätning kan göras genom att använda den digitala multimetern (DMM) på ELVIS-plattan. I DMM:en kan du välja mellan Ohm (Ω) samt C (med en symbol för kondensatorn). Notera i den lilla bilden i DMM:en hur du ska koppla in komponenterna. För kondensatorn måste du leta upp hålen för DUT+ och DUT- som finns på ovansidan av ELVIS. För motståndet ska du koppla in på sidan. Figur 6 visar ett exempel på hur uppkopplingen kan se ut på plattan (bläddra fram en bit). Spänningen U in ligger på den analoga ingången AI 7 och U ut på AI 6. En detaljerad beskrivning av ingående kopplingstrådar och komponenter följer: Kopplingstråd (a) jordar den andra vertikala raden av kontakter (b) lägger ut funktionsgeneratorns spänning på den första vertikala raden, (c) jordar minusingången på AI 6, (d) kopplar in funktionsgeneratorns spänning på AI 7, 17

(e) jordar minusingången på AI 7 och (f) kopplar in funktionsgeneratorns spänning på ena anslutningen till motståndet (g). Andra anslutningen på (g) kopplas dels med (h) till AI 6:s plusingång samt dels till kondensatorn (i):s ena anslutning. Den andra anslutningen på (i) kopplas till jord med tråd (j). 4.4.1 Beteendet med sinusformade spänningar Lägg på en sinusformad inspänning med t.ex. 10 V pp (topp-till-topp-värde) och variera frekvensen. Detta gör du med hjälp av FGEN, signalgeneratorn. Den hittar du i Instrument Launcher på samma sätt som för t.ex. DMM. Mät topp-till-topp-värdet på utspänningen u ut för de olika frekvenserna med oscilloskopet (verktyget Scope i Instrument Launcher). Ställ in oscilloskopet så att Channel 0 Setting, Source är AI 7 och Channel 1 Settning, Source är AI 6, samt Trigger, Type är Edge. Observera att topp-till-topp-värdet som presenteras i oscilloskopet baseras enbart på den signal som visas på skärmen. För att få ett korrekt topp-till-topp-värde så måste en hel period av signalen synas samt för denna period både dess topp- och bottenvärde. Du kan behöva zooma runt lite, så att säga. Prova er fram lite. För in mätresultaten i tabell 3. (Återigen så kan det vara smidigt att använda dig av Excel eller libreoffice istället). Beräkna kvotenf = U ut,pp /U in,pp för de olika frekvenserna. Skissera kvoten F som funktion av frekvensen f i figur 7. Detta ger då kretsens amplitudkaraktäristik! Uppgift 13. Vilken typ av filter utgör denna krets? Vilka frekvensen tillåts passera igenom?... 18

Frekvens, f Inamplitud, Utamplitud, Kvoten F, U in,pp U ut,pp U ut,pp /U in,pp [Hz] [V] [V] [-] 200 500 1000 2000 5000 10 000 20 000 50 000 Tabell 3: Mätvärden för mätuppgift 4.1 a). Använd eventuellt ett kalkylark i datorn istället så kan den rita kurvorna åt er. 19

Uppgift 14. Bestäm filtrets gränsfrekvens ur den uppmätta amplitudkaraktäristiken. Resultat:............ Uppgift 15. Hur stämmer resultatet med det teoretiskt beräknade värdet i förberedelseuppgifterna?..................... 4.4.2 Beteendet med fyrkantspulser Anslut nu en symmetrisk fyrkantspänning från funktionsgeneratorn till ingången på kretsen i figur 5. Variera spänningens periodtid och studera utsignalens utseende för några olika värden på perioden. Skissera insignalens samt motsvarande utsignals utseende i figur 8 för periodtiderna 2 ms, 0.1 ms respektive 0.025 ms. Använd olika tidsskalor för de tre fallen för att kunna se de olika effekterna. Använd datorn och ta en skärmbild (print screen och klipp in i något lämpligt ordbehandlingsprogram) från datorns mätinstrument om så önskas. Uppgift 16. Vad är den uppmätta tidskonstanten τ för kretsen?... 4.5 Redovisning av laborationen Visa labassistenten dina resultat: ifyllda svar på uppgifterna, grafer, med mera. Förbered redovisningen genom att renskriva alla uppgiftssvar så att du enkelt kan hitta dem. Kanske till och med i ett elektroniskt dokument tillsammans med skärmbilder snarare än i labmanualen och snarare än handskrivna resultat. 20

(h) (c) (d) (e) (f) (g) (j) (i) (b) (a) Figur 6: Uppkoppling av kretsen i figur 5 på kopplingsplattan. 21

1 0.9 0.8 0.7 F = Uut,pp/Uin,pp 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 10 2 10 3 10 4 10 5 f [Hz] Figur 7: Amplitudkaraktäristiken för filtret i figur 5. Även här kan ni låta Excel rita åt er istället. 22

Figur 8: In- och utspänningar som funktion av tid för filtret i figur 5. 23

5 Laboration 3 - Projektet, dvs hemuppgift 3, simuleringar Mest information om laboration 3 och 4, dvs miniprojektet, kommer att ges under föreläsningar och seminarium och återupprepas inte i detalj här. Ni kommer få en uppgift per tremannagrupp som ska utföras. I den uppgiftsbeskrivningen står också detaljerna kring hur dessa ska redovisas. I denna labmanual har vi stolpat upp momenten lite grann för att förenkla utförandet. Dessa moment återges i korta ordalag nedan. 5.1 Beräkningar Av kursledningen har ni fått ett schema med ett antal okända värden på resistanser och kapacitanser. Givet kravspecifikationen som medföljer er uppgift går det då att räkna ut dessa 2 till 4 olika värden. Ni ska hemma och under resurslektioner räkna ut dessa värden givet den teori som ges under föreläsningarna. 5.2 Simuleringar med exakta värden När värdena väl har bestämts teoretiskt kan ni verifiera att er krets fungerar någorlunda som tänkt. I simulatorn, som ni bekantat er med i ett av seminarierna (kapitel 2), kan ni föra in era värden och kontrollera att kretsen möter kravspecifikationen. Om ni har utfört era beräkningar korrekt ska så vara fallet. Ett bra och smidigt sätt att verifiera sina egna beräkningar. Embryot till dessa simuleringar skapas under ett av seminariena, men ni kommer kanske behöva avsätta lite tid till att genomföra slutsimuleringerna under 4h-laborationen. Laborationsassistenten kommer ha kontrollerat att ni har rimliga (teoretiska) värden innan ni sätter igång så att ni inte spiller värdefull tid. 5.3 Simuleringar med avrundade värden När värdena väl har bestämts teoretiskt och verifierats med simulatorn måste ni avrunda dem till närmsta realiserbara värden (se beskrivningen i er uppgift). Enkelt sagt: ni kanske får ut 43.141592568 µf, men det går bara att använda 42 µf. Ni måste avrunda era värden till närmsta så kallade tabellvärden och simulera igen. Notera hur mycket kurvorna nu avviker från tidigare kurvor. 24

6 Laboration 4 - Projektet, dvs hemuppgift 3, uppkoppling och redovisning När teori och simulering stämmer så brukar ingenjören gå till labbet och bygga en prototyp. Så ska ni också göra under de cirka tre sista timmarna av laborationen. I seminarie och laboration har ni redan bekantat er med ELVIS-plattformen och det handlar om att koppla upp er krets - som nu består av operationsförstärkare och passiva komponenter - och mäta in och utspänning. Komponentvärdena ska då väljas samma som de avrundade värdena (men notera att det fortfarande kan finnas variation på grund av begränsad tolerans!). På samma sätt som ni gjorde för RC-Krets i laboration 1 använder ni en sinusformad inspänning och mäter topp-till-topp-värdena på in- och utgång. (Det finns andra sätt också, men detta är det mest intuitiva om man inte är bekant med ELVIS). Verifiera nu att ni får kurvor som liknar dem ni simulerat med. Notera avvikelser och annat som eventuellt ser lustiga ut. 6.1 Verifiering Slutligen, om tiden tillåter, ska vi koppla upp ert aktiva filter till en ljudanläggning och försöka göra en bedömning av kvaliteten hos ert filter. Hur ska ljud genom ett lågpassfilter låta? Hur ska ljud genom ett högpassfilter låta? 6.2 Rapportering Slutligen ska du sammanfatta alla resultat och skicka in en rapport till kursledningen. Detta består i princip av att skapa ett dokument som innehåller följande delar: Sammanfattning Resultat i kortform (tabell) Uppgiftsställningen De teoretiska formlerna och resultat Simuleringsresultaten med exakta värden 25

Simuleringsresultaten med avrundade värden. Mätresultat (U ut /U in -kurvan) med uppkopplad krets (Eventuellt) Kommentarer om hur ljud låter genom ert filter Tydlig sammanfattning: vad lärde vi oss, vad var resultaten och varför. Information om när rapporten ska skickas in ges på kurshemsidorna. 26

7 Labutrustning 7.1 Introduktion I denna laboration kommer du att studera likströmskretsar. Den utrustning som vi använder oss av i laborationen är en miljö för prototyp-utveckling, som går under namnet ELVIS II. Denna utrustning kommunicerar med en värddator via USB, se figur 9. I värddatorn finns programvara som ger dig tillgång till flertalet vanliga instrument, som exempelvis multimeter och variabel spänningskälla. Där finns också mer specialiserade instrument, som t.ex. gör det möjligt att mäta upp transistorkurvor, eller mäta upp frekvenssvaret för ett filter eller en förstärkare. Figur 9: Typisk uppkoppling av NI ELVIS II enligt användarhandledningen [1, figur 2-1]. I vår labmiljö har vi en stationär dator istället. ELVIS II innehåller en allmän kopplingsyta där du kommer att göra upp- 27

Figur 10: NI ELVIS II enligt användarhandledningen [1, figur 2-2]. kopplingar i denna laboration, se figur 10 och 11. Därtill innehåller ELVIS ett flertal anslutningar som är kopplade till de instrument som finns tillgängliga på värddatorn. 28

Figur 11: Prototypkortet enligt användarhandledningen [1, figur 2-5]. 29

7.2 Starta NI ELVISmx Instrument Launcher På värddatorn finns programmet NI ELVISmx Instrument Launcher. Via det programmet får du tillgång till olika instrument. Slå på hårdvaran med på/av-knappen längst till höger på baksidan av NI ELVIS. Då dyker det upp en pratbubbla längst ner till höger på skärmen med följande text. NI ELVIS II+ detected! Click here to use this device. Klicka då där. Då dyker det upp en dialogruta, där du bör välja följande alternativ. NI ELVISmx Instrument Launcher Alternativt går det att starta programmet via start-menyn: Start/All Programs/National Instruments /NI ELVISmx for NI ELVIS & NI mydaq/ni ELVISmx Instrument Launcher Du bör då få upp ett litet fönster som ser ut som i figur 12. Figur 12: Programmet NI ELVISmx Instrument Launcher på värddatorn. Där finns tolv knappar som startar olika instrument enligt nedan. DMM Digital MultiMeter. Vanlig multimeter som kan mäta spänning, ström, resistans, kapacitans, induktans och framspänningsfall för en diod. Därtill kan den användas för att kontrollera huruvida två punkter är sammankopplade. Scope Oscilloscope. Ett två-kanals oscilloskop. FGEN Function Generator. En signalgenerator som kan generera sinusvåg, triangulärvåg och fyrkantvåg, med frekvens mellan 200 mhz och 5 MHz. Kan också svepa över ett frekvensintervall. VPS Variable Power Supplies. Två spänningsaggregat som kan ge en positiv och en negativ matningsspänning, upp till 12 V. 30

Bode Bode Analyzer. Denna kombinerar oscilloskopet och signalgeneratorns svepfunktion så att den plottar amplitudkarakteristiken för exempelvis ett filter. DSA Dynamic Signal Analyzer. Mer avancerat analysverktyg. Vi kommer inte att använda det i denna laboration. ARB Arbitrary Waveform Generator. Kan generera godtyckliga signaler som man tillhandahåller i en fil. Vi kommer inte att använda det i denna laboration. DigIn Digital Reader. Indikation av digitala insignaler från I/O-anslutningar. Vi kommer inte att använda det i denna laboration. DigOut Digital Writer. Styrning av digitala utsignaler till I/O-anslutningar. Vi kommer inte att använda det i denna laboration. Imped Impedance Analyzer. Mätning av impedans för olika frekvenser. Redovisas som en punkt i ett komplext talplan. Vi kommer inte att använda det i denna laboration. 2-Wire Two-Wire Current-Voltage Analyzer. Mätinstrument som ger strömspännings-samband i form av en graf för en godtycklig komponent med två anslutningar, exempelvis en diod. Vi kommer inte att använda det i denna laboration. 3-Wire Three-Wire Current-Voltage Analyzer. Mätinstrument som ger ström-spännings-samband i form av en graf för en godtycklig komponent med tre anslutningar, där den tredje anslutningen är en styrström. Typanvändningen för detta mätinstrument är att bestämma grafer för sambandet mellan kollektorström och kollektor-emitter-spänning för en bipolartransistor för olika basströmmar. För att utrustningen ska fungera helt och fullt måste du dessutom slå på resten av hårdvaran med på/av-knappen på ovansidan till höger på NI ELVIS. 31

7.3 Kopplingsplattan och anslutningar till instrumenten Mitt på prototypkortet finns en allmän kopplingsyta med hundratals anslutningshål där komponenter och kopplingssladdar kan tryckas ned. Dessa hål är anslutna till varandra gruppvis enligt figur 13. Till vänster om denna allmänna kopplingsyta finns anslutningar till de instrument vi kommer att använda och till BNC-anslutningar och banananslutningar på vänstra kanten av ELVIS. Dessa är numrerade från 1 till 27 och från 28 till 54, och är kortfattat förklarade på prototypkortet. Figur 14 visar anslutningarna 1 27. En sammanfattning av anslutningarna följer här: 1 16 A0 A7. Åtta stycken analoga ingångar, parvis. 17 AISENSE. För känsliga mätningar. Vi kommer inte att använda denna. 18 AIGND. Referenspotetial (jord) för analoga mätningar. 19 26 PFI0 PFI11. Speciella I/O-anslutningar. Vi kommer inte att använda dessa. 27 Oanvänd. 28 30 Anslutningar till multimetern (vissa mätningar) och impedansanalysatorn. 31 32 A0 A1. Två analoga utgångar relativt AIGND. Vi kommer inte att använda dem. 33 36 Anslutningar till signalgeneratorn. 37 Oanvänd. 38 47 Kopplade till anslutningar till vänster på prototypkortet, Banana A D, BNC 1 & 2 samt skruvanslutningar. 48 50 Anslutningar till variabelt spänningsaggregat. 51-54 Fasta matningsspänningar, +15 V, 15 V, jord och +5 V. 32

7.4 Användning av DMM Välj DMM i menyn som visas i figur 12 för att starta multimetern. För att mäta resistans i motstånd klicka på knappen märkt med Ω i multimeterfönstret. Koppla in motståndet kopplade via kablar med banankontakter till ingångarna COM och Ω på multimetern markerade med siffran 3 i figur 10. För att mäta likspänning tryck på knappen märkt V i DMM-fönstret och anslut kablarna på samma sätt som för resistansmätning. För att mäta likström tryck på A i DMM-fönstret och anslut kablarna till ingångarna COM och A på multimetern markerade med siffran 3 i figur 10. Mätningen startas genom att trycka på play-knappen i DMM-fönstret och avslutas med att trycka på stopp-knappen. 7.5 Övrig utrustning Likspänningsaggregatet: Utgångarna med jord-märkning utgör skyddsjord och behöver ej inkopplas. Spänningen tas ut mellan de båda utgångarna. (Röd: +, svart ) De båda spänningskällorna kan seriekopplas genom att utgången på den ena källan ansluts till + utgången på den andra. På detta sätt kan t.ex. ±12 V erhållas. Potentiometer (LABPOT TYP H10S): Koppla in potentiometern med den högra anslutningen. Den fingraderade skalan är 10 Ω/enhet den grova 1 kω/enhet. Dekadresistansen (svart): Dekadresistansen fungerar så att den totala resistansen bestäms av ett antal rattar, 1Ω till 10kΩ, så att den totala resistansen blir summan av alla delresistanser. Ingången märkt med jordsymbol behöver ej användas i denna laboration (skyddsjord för höga spänningar). 33

Figur 13: Kopplingsplattan med indikation om hur hålen är kopplade. 34

Figur 14: Anslutningar nummer 1 27 till instrument enligt användarhandledningen [1, figur A-2]. 35

Referenser [1] National Instruments Corporation. NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite II Series (NI ELVISTM II Series) User Manual, Juni 2011. http://www.ni.com/pdf/manuals/374629c.pdf. 36