INF1411 Oblig nr. 3 - Veiledning

Transkript

1 INF1411 Oblig nr. 3 - Veiledning Informasjon Instrumentene som behøves i denne obligen er markert over: DMM det digitale multimeteret er du kjent med fra de to foregående oppgavene Scope er et oscilloskop som viser hvordan en spenning eller strøm forandrer seg over tid FGEN er en signalgenerator som kan lage et signal som varierer over tid, for eksempel en sinusbølge, en firkantbølge eller en trekantbølge. VPS den variable spenningsforsyningen ble forklart og brukt i oppgave 1 Forsyningspenning Til denne oppgaven trenger du en forsyningsspenning på +5 Volt. ELVIS II har egne faste forsyningspenninger. Disse er tilgjengelige gjennom koblingspunkter nederst til venstre for breadboardet. Side: 1/6

2 FGEN Signalgenerator. Med signalgeneratoren kan du lage en bølgeform av type sinus, firkant eller triangel. Dette velger man med knappene øverst til venstre. Du kan her justere følgende: frekvens antall perioder av en bølgeform over et tidsrom amplitude utslaget til bølgen (Vpp betyr peak-to-peak utslag, d.v.s. avstand fra bølgetopp til bølgedal) offset spenningen midt mellom bølgetopp og bølgedal. Modulation type sammen med Sweep settings gjør det mulig å variere frekvensen eller amplituden stegvis. For denne oppgaven benytter vi kun en konstant bølge. Device, Run og Stop fungerer som for DMM. Knappen sweep starter et sweep. Signal route bestemmer hvor signalgeneratoren skal sende ut signalet. Her velger vi normalt til prototyping board om ikke vi har spesielle behov. Vi får da tilgang til bølgeformen som FGENinstrumentet lager på pinne 33 på venstre side av bread-boardet. Signalet SYNC som finnes på pinne 34 rett under FGEN-signalet leverer en firkantbølge som går fra 0 Volt til +5 Volt og som er synkronisert til bølgeformen fra FGEN. Side: 2/6

3 Scope - Oscilloskopet Oscilloskop-instrumentet har to samtidige kanaler, slik at man kan følge med på to signaler samtidig. Tilkobling av måleprobene foregår ved hjelp av BNC-pluggene på venstre side av ELVIS. For å se på signaler må vi huke av Enabled for kanalen, og velge Run. I feltet probe kan vi stille inn en 10x forsterkning på proben (dette fungerer dårlig om signalet er utenfor ± 1.5 Volt). På coupling kan vi velge om oscilloskopet skal lese av DC-nivået til bølgeformen eller om vi skal kansellere DC-nivået og la bølgen svinge rundt 0 Volt. Med Scale og Vertical position kan vi flytte eller forstørre signalene i forhold til hverandre på y-aksen i vinduet. (Du kan også bruke Autoscale-knappen). Timebase stiller på tidsoppløsningen langs x-aksen. Hvis Time/div er stilt inn til 5 ms er det 5 ms mellom hver vertikale strek i vinduet og hele vinduet viser totalt 50 ms. Man kan koble et trigger-signal inn på den øverste FGEN/TRIG BNC en og koble det til SYNC for å synkronisere oscilloskopet til funksjongeneratorinstrumentet. På denne måten blir 0-punktet på x- aksen satt til det tidspunktet som flanken til synkroniseringssignalet registreres på. I feltet slope kan man velge om man vil trigge på positiv eller negativ flanke. Man kan også velge å trigge på signalet i en av kanalene ved å endre i feltet source, men om man har små signaler kan man fort få problemer med å trigge riktig. Nederst i høyre hjørne av visningsvinduet finnes 4 funksjoner for å stille inn visningen som ofte er enklere å bruke enn å skru på kontrollene for Scale, Position og Timebase. Nederst til venstre kan man også skru på to markører (cursors on) som man kan bruke til å måle med. For å flytte disse på x-aksen drar man den gule vertikale stripa som dukker opp på venstre side. Ser du de ikke må du zoome bildet ut med verktøyene nederst i høyre hjørne av målevinduet. Tilkobling av oscilloskop-kanaler: Det er viktig å huske på at både den positive og negative proben må kobles til et sted. Den negative proben kobles gjerne til jord (0V), eller virtuell jord (en spenningsreferanse for opampene). Den positive proben kobles til signalet vi vil undersøke. Om man ønsker mindre ledninger på kryss og tvers så finnes det også to ledige brukerkonfigurerbare BNC-plugger på venstre siden av brettet. Man kan koble en kort BNC-BNC kabel mellom en ledig BNC-plugg og en BNC-plugg på siden (for eksempel fra BNC1 til TRIG). Da kan man på brettet koble SYNC-signalet fra pinne 34 til pinne 42 (BNC1+). Pinne 43 (BNC1-) må kobles til jord. Side: 3/6

4 Operasjonsforsterkeren MCP6004 Opampene som er kjøpt inn er av typen MCP6004. Opampene er på en integrert krets (IC 1 ). Komponentene på IC en er meget små og det kan være lett å ødelegge dem med for stor spenning/strøm. Før du tar i en opamp bør du passe på at du ikke har en stor ladning av statisk elektrisitet på fingrene. Dette gjør du ved å ta på en leder som er koblet til jord. Det beste er å ha på seg et armbånd som er koblet til jord hele tiden, og dette blir mer og mer relevant jo mindre forsyningsspenningen til den integrerte kretsen er. Merk at opampen har en liten halvsirkel på den ene enden. Denne vil du finne igjen på brikken du benytter. Halvsirkelen benyttes til å avgjøre hva som er pinne 1. (På bildet under ) Opampen MCP6004 skal ha forsyningsspenning Vdd=5V, mens Vss=0V kobles til jord. De opampene du ikke bruker bør kobles opp slik at du vet hva de gjør (de kan finne på å svinge på egenhånd om du ikke tar kontroll): Det er for eksempel greit å koble utgangen til den negative inngangen og den positive inngangen til enten jord eller Vdd. Litt nøkkelinformasjon om MCP6004: IC en har 4 opamper i en 14-pinners Dual-in-line (DIL) pakke. Den kan operere på spenninger fra 1.8V til 5.5V. Slewrate er ca 0.6V/µs. Den har et 1MHz gain-bandwidth produkt (betyr at den kan følge med på en 1MHz sinus, men utsignalet får amplituden redusert med -3dB). Den har en offset-spenning på typisk ± 2mV (maks ± 7mV). Openloop gain er om lag 112dB 2 og common-mode rejection-ratio (CMRR) er 76dB. Komplett datablad (data sheet) kan finnes på nettet: Hver IC koster ca 6kr fra ELFA. 1 IC står for Integrated Circuit 2 Gain oppgitt i db 20 er utregnet fra 20log 10 (Gain), dermed kan den forsterkningen på linjær skala finnes som 10^(Gain db20 /20). Dermed tilsvarer 20dB en forsterkning på 10, 40dB tilsvarer 100, osv. Side: 4/6

5 Dioder og LEDs Dioder lages med halvledermaterialer. Dersom det i et materiale er flere positive ladningsbærere (e.g. hull) kaller vi materialet P-type, og om det er flere frie negative ladningsbærere kaller vi materialet for N-type. I overgangen mellom P-type og N-type materiale har vi en diode. En diode leder godt strøm når den er foroverforspent, d.v.s. når spenningen på P-siden er høyere enn på N-siden. Strømmen i en diode kan ofte oppgis som: Her er I s en konstant som avhenger av hvordan dioden er laget. V f er foroverspenningen (fra P til N), mens U t er den termiske spenningen (U t =kt/q) og n kalles en ideelhetsfaktor. Typisk er n et tall mellom 1 og 2 og U t 26mV ved romtemperatur (27 C). Vi ser at når Vf er negativ blir eksponent-leddet nesten 0, så når dioden er reversforspent går det en konstant lekkasjestrøm: Når dioden er sterkt foroverforspent blir eksponent-leddet mange ganger høyere enn 1, så vi kan forenkle ligningen. Med noen materialtyper kan man få en diode til å sende ut synlig lys. En slik diode kalles en LED (Light Emitting Diode). Det finnes LEDer med forskjellige farver, for eksempel blå, rød, grønn, orange, hvit. Disse er gjerne laget av forskjellige materialer for å få til de forskjellig fargene. Når vi skal bruke en LED til å sende ut lys sender vi strøm i foroverretningen til dioden. Det er viktig at man ikke sender for mye strøm, da den som med andre komponenter vil bli fryktelig varm og kan gå i stykker. Når vi skal bruke en diode med en spenningskilde, bør vi derfor begrense strømmen for eksempel ved hjelp av en serie-motstand. Vanligvis oppgis det en anbefalt forover-spenning og strøm for dioden. En typisk foroverspenning er rundt 2V, mens strømmen gjerne avhenger av størrelsen til dioden. En liten signaldiode bruker gjerne i størrelseorden 10-30mA. Har vi en forsyningspenning på 5 Volt behøver vi 2 Volt over dioden, mens de resterende 3 Volt skal stå over motstanden. Med 3 Volt må vi derfor velge en motstand på 300Ω for at strømmen skal bli 10mA. En LED kan også brukes som en fotosensitiv diode. Om man lar dioden stå til en høyimpedant node bygger lyset opp en spenning slik at dioden er foroverbiasert. Man kan også sette en revers-bias over dioden, og måle strømmen. Fotostrømmen er proporsjonal med mengden lys som faller på dioden. En type dioder som kalles zener-dioder eller breakdown dioder har blitt laget slik at de bryter sammen og lar en stor strøm passere i revers-retningen når revers-spenningen overstiger en terskel. Denne terskelen kan man få til å lage meget nøyaktig, og slike dioder brukes ofte i reversretningen sammen med en motstand for å lage en nøyaktig spenningsreferanse. Side: 5/6

6 + V f - P N Diode LED Fotosensitiv diode Zener-diode (Breakdown diode) Ulike diodesymboler (til venstre) og en illustrativ VI-karakteristikk. Typisk LED. En flat side eller kort bein indikerer N-siden and PN-dioden. Side: 6/6