Laboratorieoppgave 3: Motstandsnettverk og innføring i Oscilloskop

Transkript

1 NTNU i Gjøvik Elektro Laboratorieoppgave 3: Motstandsnettverk og innføring i Oscilloskop Denne oppgaven består av to deler. Del 1 omhandler motstandsnettverk for digital til analog omsetning. Del 2 omhandler innføring i bruk av oscilloskop. For del 1 kan dere få i oppgave å skrive rapport vedrørende denne. Del 2 er å betrakte som en innføring i oscilloskopet og forberedelse for videre labarbeid. På grunn av dette er ikke del 2 av denne laboppgaven aktuell for rapportskriving. Del 1: Motstandsnettverk for Digital-Analog-Omsetter. Denne delen er aktuell for rapportskriving og for denne delen skal journal leveres. Hensikt med oppgaven: Å undersøke koplinger hvor lineære motstander brukes i R-2R stigenettverk. Utstyr som du trenger: Læringsmål: En likespenningskilde Et digitalt multimeter Koplingsbrett Motstander og manuelle vendere Kunne forstå og kunne bygge opp en Digital-Analog-Omsetter med ulik antall bits. Få forståelse av hvordan utgangsspenningen til Digital-Analog- Omsetteren vil variere når Omsetteren belastes. Del 2: Oscilloskop, denne delen gjør du som en forberedelse til laboppgave 4. Denne delen er uaktuell for rapportskriving. Skriv likevel ned måleresultater og svar på spørsmålene i oppgaveteksten. Hensikt med oppgaven: Å lære bruken av et digitalt oscilloskop ved målinger av periodiske signaler. Utstyr som du trenger: Et oscilloskop Tektronix TDS 2002 To måleprober En funksjonsgenerator En likespenningskilde Et koplingsbrett med motstand og kondensator Læringsmål: Teori: Lære grunnleggende bruk av oscilloskopet til å kunne gjøre målinger av elektriske størrelser i en krets. Gjelder spesielt for kretser med periodiske signaler. Notat "Om oscilloskopet" og "Bruksanvisning for oscilloskopet"

2 PRELAB, DEL 1 Del 1 a) Bruk LT-Spice/Multisim eller beregn spenningene ut fra stigenettverket for de binære verdiene oppgitt i punkt 1.a i laboppgaven. La utgangen være ubelastet. Prøv eventuelt å sette på en belastning på utgangen som har resistans RL = 2R for å se om noe endrer seg. For beregninger kan du bruke superposisjonsprinsippet. Det vil si at du regner ut hva utspenningen blir fra hver av venderne enkeltvis. De andre venderne skal da ligge mot ligge mot jord. Skal du finne for eksempel utspenningen for b = b2b1b0 = 0112 = 310, å summerer du enkeltbidragene fra spenningskilden gjennom Vender1 og Vender0. b) Tegn karakteristikken Vut som funksjon av de digitale inngangsverdiene b = b2b1b0 c) Tegn koplingsskjema for en 4-bits omsetter og karakteristikken for den. POSTLAB, DEL 1 d) Beregn utgangsresistansen Rut for motstandsnettverket, det vil si resistansen målt inn mellom utgangsklemmene når alle venderne er koplet til jord. Angi svaret uttrykt ved R. e) Vis at utgangsresistansen er den samme uansett hvilke venderposisjoner du har.

3 Del 1: DIGITAL-ANALOG-OMSETTER A. Omsetter med motstandsstige R-2R Du skal kople opp og undersøke en 3-bits digital-analog-omsetter med en R-2R motstandsstige og tre vendere. Hvis et bit b har verdien 1, skal en referansespenning VREF = + 16 V koples til stigen, men hvis bitverdien er 0, skal stigen koples til jord (0 volt). Vut R R 2R 2R 2R 2R Vender0 Vender1 Vender2 VREF = ,0 V b0 b1 b Fig.1 3-bits digital-analog-omsetter med R-2R motstandsstige a) Finn ved måling utspenningen Vut dersom innsignalet er: 1) b = b2b1b0 = 0012 = 110 2) b = 0102 = 210 3) b = 1002 = 410 Stemmer resultatene med vektleggingen 2 0, 2 1 og 2 2? b) Tegn en karakteristikk som viser utspenningen Vut som funksjon av den digitale inngangsverdien fra b = 0002 = 010 til b =1112 = 710 c) Tegn inn en rett linje fra punktet for maksimal verdi på Vut og til origo. Ligger karakteristikken du har fått symmetrisk om denne linjen? Kan du se om trappetrinnene har lik spenning? Kan du forklare hvorfor de eventuelt ikke har samme spenning? d) Utvid kretsen slik at du får en 4-bits omsetter. Foreta målinger, og tegn karakteristikken som viser utspenningen Vut som funksjon av den digitale inngangsverdien fra b =00002 til b = e) Kopl inn en motstand som belastning med resistans lik 2R mellom utgangsklemmen og jord. Finn inn/ut-karakteristikken for den belastede omformeren. Sammenlikn omformerens karakteristikk når den er uten belastning med karakteristikken når den er belastet

4 Del 2: Oscilloskop I. Vising av testsignal. Figur 1. Frontpanelet til oscilloskop av type Tektronix TDS 2002 a) Sett innstillingen Coupling til DC for CH1. Da vises både likespenninger og vekselspenninger på skjermen. Kopl testspenningen du får ut fra klemmen nederst i høyre hjørne på oscilloskopet til CH1 ved hjelp av en probe. Venderen på proben skal stå i stilling 10x. Pass på at oscilloskopet også er innstilt på 10x. Foreta en kontroll med funksjonen PROBE CHECK Hvis alt er i orden kommer meldingen PASSED fram nederst på skjermen. Få fram nøyaktig det bildet du ser på oscilloskop-skjermen i figur 1. Dokumenter ved å ta et bilde av skjermen, og kontroller at tekst og tallverdier vises tydelig på bildet. Alternativt kan du skrive ned data fra skjermen. b) Finn signalets amplitude ut fra bildet målt i forhold til rutenettet. Kontroller med verdien oscilloskopet oppgir. c) Finn signalets periode T ved å telle antall ruter langs tidsaksen og gange med antall millisekunder per rute. Kontroller ved å lese av verdien på frekvensen f = 1/T

5 II. Trigging. La tilkoplingen til CH1 være uendret. a) Innstill tidsaksen til 0,10 ms/rute. Sett TRIG til CH2. Kopl funksjonsgeneratoren til CH2 på oscilloskopet, og still inn generatoren slik at får ut en sinusformet spenning med frekvens f =1,5 khz. Skjermen skal bare vise CH2. Ta bilde av skjermbildet. Finn signalets periode T ved å telle antall ruter langs tidsaksen og å så gange med antall millisekunder pr. rute. b) Endre TRIG til CH1. Hva skjer med bildet på skjermen? Beskriv hva du ser. Kan du forklare hvorfor bildet blir slik? c) Sett TRIG tilbake til CH2 og vis bare signalet fra denne kanalen på skjermen. Still inn Level og Slope på oscilloskopet slik at bildet starter helt til venstre på skjermen når innsignalet har: 1) verdi 0 volt ved nedadgående kurve 2) verdi lik halve amplituden ved nedadgående kurve 3) verdi lik halve amplituden ved oppadgående kurve Dokumenter og kommenter resultatene. d) La skjermen vise signalene fra begge kanalene CH1 og CH2. Beskriv hva du ser.

6 III. Signalomforming. Fig.2 RC-ledd påtrykt firkantspenning og sinusformet spenning. Kopl opp slik som vist på fig.2 med en kondensator i serie med en motstand. Velg R 1,0 kω og C 1,0 nf. Still generatoren slik at den gir ut en til sinusformet spenning med amplitude VA= 5,0 V. 1) Hvor stor amplitude har utspenningen vo? 2) Er vo foran eller etter vi i tid? 3) Hvor stor er tidsforskyvningen TS mellom signalene vi og vo? 4) Bruk oscilloskopet til å tegne vo som funksjon av vi.