Ku: FYS3230 Senoe og måleteknikk Guppe: Guppe-dag: Oppgave: LABORATORIEØVELSE NR 3 Omhandle: Studee en faefølom foteke Revidet, 5. okt. 2010 Lindem Utføt dato: Utføt av: Navn: email: Navn: email: Godkjent:dato: Godkjent av: Kommenta fa veilede: 1
Faefølom Foteke Støy vil alltid begene nøyaktigheten i målinge av vake ignale. Ofte benytte avtemte fotekee lik at dele av tøypekteet kan filtee bot, men det e i paki toe begenninge i hva man kan oppnå med båndfilte. Nå tøyen bli like to - elle ovetige måleignalet, e den "faefølomme detekjon" en meget viktig metode fo å gave fam ignalet fa tøyen. Faelåte fotekee ( Lock-In Amplifie, LIA) kan lage på flee måte, - men pinippet e det amme om vit i Fig. 3.1: Fig 3.1 Et ignal ende inn på måleobjektet, og eponen defa ende inn på fotekeen ignalkanal. Samtidig ta ignalet inn på fotekeen efeanekanal. Måleignalet bli foteket i ignalfotekeen om kan væe malbåndet fo å eduee iikoen fo at den kal bli ovetyt av uønkede ignale. I efeanekanalen betemme faen mellom de to ignalene om ende inn på detektoen. Videe ende efeaneignalet til en ønket fom, enten en en hamonik bølge, elle - om i denne oppgaven - fikantpule (om betå av gunnfekvenen og alle odde hamonike): v 4 1 innt n n=1,3,5,... Den faefølomme detektoen e den entale enheten. He foeta en faefølom likeetting. Vikemåten e i pinippet en multiplikajon mellom ignalet og fikantpulen (om egne å ha amplitude 1), og eultatet e endt gjennom et lavpa-filte. Vi anta at ignalet ha en en inufom (= e hamonik), med fekven og fikantpulen ha en gunnfekven. Måleignalet amplitude inn på detektoen kalle S. Videe kalle vi faevinkelen mellom de to ignalene fo. Signalet ut fa detektoen e da gitt ved: 4 S v in t n tinn, elle 2
4 S (1) v co n t co n t n På gunn av lavpafilteet kan vi e bot fa ledd med ummen av fekvenene. Videe kan vi e bot fa alle høyee hamonike nå og e omtent like toe. Vi kan da kive (1) lik: S (2) v 2 co co t in in t Nå = få (3) v S co Lavpa-filteet genefekven vil ammen med ligning (2) betemme den effektive båndbedde til fotekeen. Utty og oppgave I denne oppgaven kal vi buke en tekklapp og en faefølom likeette til å måle defomajon av en tålbjelke. Stekklappen betå av en tynn mottandtåd. Se bilde til høye. Mottanden eduee nå den tekke, - fodi tvenittaealet bli minde og lengden tøe, men ogå fodi den peifikke eitanen ende ved mekanike defomajone. Mottandendingen i tekklappen e gitt ved lappen folengele og tekklapp-kontanten G: R R L G L Faktoen G e omking 2 fo metalle. I paki e den elative folengelen L L meget liten. Mottandendingen e defo ogå meget liten, og målingene vil ofte væe vankelige på gunn av f.ek. elektik tøy fa omgivelene. Den bete målemetoden e om egel å montee tekklappen i en bokobling. Fo en bo med en tekklapp og de te ande mottandene lik mottanden R i tekklappen nå den ikke e belatet, e ignalet v i fa boen tilnæmet lik v i 1 R v 4 R 1 L G v 4 L foyningpenningen til boen., hvo v e Fo å få bet mulig ignal/tøy fohold buke en faefølom likeette. Vi buke et inu-ignal v med en fat fekven om foyningpenning til boen, og dette ignalet buke om efeaneignal. Signalet v i fa tekklappen e ogå inufomet med amme fekven og kan foteke i en AC-koblet foteke fø det likeette i den faefølomme likeetteen. 3
Pinippet fo en bukba kobling e vit i Fig. 3.2. Fig. 3.2 Refeaneignalet v (om ha amme fekven om måleignalet v i ) omfome ved hjelp av kompaatoen A til fikantpule. Die gjø at FET-tanitoen vekle mellom å lede og å væe peet. Ved hjelp av op.amp A1 vil ignalet v i bli invetet nå FET lede, og gå ufoandet igjennom nå FET e peet Poitiv halvpeiode bli invetet ( FET på) Negativ halvpeiode gå ufoandet igjennom ( FET av ) ( v o =2v i -v i Supepoijonpinippet diff.fot.) FET på Fotekning A = -1 FET av Fotekning A = 1 Signalet v o vil avhenge av faefokjellen mellom måleignalet og efeaneignalet, og væe makimalt nå faefokjellen e null elle 180 gade. (Se Fig. 3.3) Fig. 3.3 4
Utgangpenningen ette filteet bli v a T 2 T 2 vi in2 ft dt co co i 2 0 2v i 2v co ft En vanlig likeette vil likeette ignal og tøy uanett fekven. En faefølom likeette vil likeette bae den delen av tøyen om ha fekvene innen et malt bånd omking ignalfekvenen. Den vike om et båndfilte med entefekven og båndbedde betemt av R og C på utgangen av likeetteen. Båndbedden til filteet (fekvenintevallet mellom -3dB punktene) e 2 f 1 RC I keten om bli bukt i oppgaven, e det i tillegg et 2. oden lavpafilte hvo båndbedden kan ytteligee eduee, men amtidig vil epontiden øke. Skjema fo ketene og bilde av tetbodet e vit i Figu 3.4, 3.5 og 3.6. Bekivele av opeajonfotekeen LM358 finne på http://www.national.com/pf/lm/lm358.html. Keten tilføe +12 volt fa en liten batteieliminato (om bukt på laboppgave 2) En liten DC/DC omfome (Taco Powe) levee +/- 12volt til ketene på kotet. Se på detaljkjema ide 7: Vi ha kontuet en enkel ocillato om levee ca. 1kHz inu. Legg meke til kontukjonen - en liten glødelampe i tilbakekoplingen gi automatik amplitudebegening av ignalet. Glødtåden motand øke hvi ignalet øke den temike tidkontanten e å lang at keten få amme fotekning gjennom hele ignalpeioden. Det medføe at ignalet om levee ha meget lav fovengning. (Lampa lye ikke - eguleingen kje ved elativt lave tempeatue Huk laboppgave 1 oppgave 2.1 Måling av mottanden til glødefilament i en lampe) Oppgave: NB. Ikke ø multitun pot.mete P1, P2 og P6. Du kal bae buke pot.mete P3, P4 og P5. Målebo og tekklapp høe ammen. Se ette at begge ha amme boktav. Kot B til bo B ov. Stekklappen kal IKKE kople til målebua fø pkt. 2b. 1. Vi begynne med en enkel gjennomgang av ketene. Buk CH1 på kopet - e på ignalet ut fa ocillatoen TP9. Hva e fekvenen? La kopet tigge på dette ignalet Kople en ledning fa kopet EXT.TRIG til TP9. I TRIG MENUE velge du ouce- ext tig, mode nomal, Coupling - AC Ocillatoignalet e diekte koplet til faekifte (Phae hifte) - TP4. Kople CH2 til utgangen fa faekifte - TP8. Sku på pot.mete P5 lik at du tydelig e faen ende. Ta ut et kjembilde av CH1 og CH2 - hvo faen mellom die e fokjøvet ca 90 gade. Send ocillatoignalet diekte inn på den faefølomme demodulatoen. Dette gjøe med en tap ove pinnene på CN2 ( like ved utgangen fa Pe-amplifie). Flytt kopet CH2 fa TP8 til TP13. Du kal nå finne ocillatoignalet på TP13. Flytt kopet CH2 fa TP13 til TP18. He kal du e fikantpule. Signalet ut fa faekifte (Phae hifte) e kjøt igjennom en kompaato die pulene tye en n-kanal FET i den faefølomme 5
likeetteen. Bekiv kot vikemåten. Flytt kopet CH2 fa TP18 til TP14. Ta ut et bilde om vie ignalet i TP14 nå faeiftet e 0 gade og 90 gade. Stemme det med fig.3.3? Buk kopet. Mål utgangignalet fa likeette-kotet (DC) TP15 om funkjon av faen til efeane- ignalet. 2a Skopet kople til TP6 Peamp out. Koble ammen de to inngangene på fo-fotekeen (Stap ette ove pinnene på CN1) og jute vha. pot.mete P4 til minimum ignal. Betem Common Mode fotekningen (CM-fotekning). Fofotekeen ha en total fotekning på ca. 60 db. (Diff. foteke 20dB + non.inv. foteke 40dB) Beegn keten CMRR ( Common Mode Rejection Ratio) i db. Ekempel : Hvi diffeaneignalet foteke 1500 gange og felleignalet CM dempe med en fakto 0.01 da bli Av ( diffeential ) 1500 CMMR 150000 ( 103, 5dB ) A v ( common mod e ) 0. 01 2b Jute efeane-faen (P5) fo makimal DC-penning ut på TP15. Koble fo-fotekeen ammen med tekklapp-boen og den faefølomme likeetteen - lik om vit i kjema. Huk - fjene tappen ove pinnene på CN1 fa oppg.2a. Flytt tappen fa CN2 ove til pinnene på CN3. Balane boen vha. P3 og kontolle at utgangen fa likeetteen vaiee med ka ften på bjelken i både poitiv og negativ etning. 3. Undeøk Low-pa Filte. Sett tappen ove pinnene på CN10. Tilfø ignal (100Hz 100mV pp) fa ekten ignalgeneato på TP16. Kople bot alle filtekondenatoe (alle bytee, SW2,SW3 og SW4 i OFF). Mål filteet fotekning fo 100 Hz. Kople inn kondenatoen på 10 nf i lavpafilteet (SW2-ON) lik at genefekvenen bli omlag 100 Hz. Kontolle at keten vike om ventet.. Sett tappen tilbake ove pinnene på CN9 dette kople utgangen fa demodulatoen inn på filteet. 4a. Med LP-filte på lavete genefekven ( SW4 on - 1 µf 1000nF ) - Plae et lodd på vektamen lik at DC ut fa lavpafilte e ca. 5 volt. - Le av med multimete på målepinnen meket DC out. Buk ocillokopet - hvo tot e AC- ignalet (1kHz efeaneignal) ut fa fofotekeen? (TP6 Pe-amplifie) Dette ignalet bø væe i tøeleoden 150-300mV 4b. Buk funkjongeneatoen og tilfø keten et tøyignal på TP7 (noie in) Som tøyignal buke vi føt et inuignal med fekven 700 Hz - deette 1300 Hz. Pøv med 2 fokjellige ignalamplitude 100 og 1000 mv PP ut fa geneatoen. (Avle die vediene på funkjongeneatoen diplay) Påvike die tøyignalene målingen på DC out? 4c. Velg en tøyfekven på 1300Hz. Øk tøyamplituden til du e en ending på ca 10% i utgangignalet - målt med multimeteet på utgangen - DCout. Ocillokopet kal fotatt væe koplet til utgangen av fofotekeen (TP6). Hvo tot e tøyignalet ut fa fofotekeen? Måleignalet (efeaneignalet) e nå duknet i tøy. Hva e foholdet ignal / tøy i dette målepunktet. (Buk målingen fa 4a) 6
4d. Send inn et tøyignal på 1000 mv PP til fofotekeen (noie in). Støyamplituden avlee på geneatoen. Vaie tøyfekvenen fa ca. 700 til 1300 Hz. I hvilket fekvenomåde e det tydelig at tøyen pille en olle fo målingen? (e på multimeteet) Buk de 3 bytene på lavfekvenfilteet. Legg inn kondenatoene i tu og oden føt 10nF å 100nF - og til lutt 1uF. Hvo to e båndbedden fo tøyignale ( f ) fo hve av de te kondenatoene. ( F.ek. Med 10nF e du at utgangen ende eg (e utabil) fo fekvene i omådet 850Hz til 1150 Hz det bety: Fo 10nF e f = 300Hz ) 5. Teoetik oppgave: Du henge et lodd på vektamen lik at DC out e ca.5volt. Hvo to e elativ folengelen av tekklappen om e limt fat på denne amen? (tekklapp-kontanten e påføt amen typik G = 2,1 R = 120 +/- 0, 3 Ω D ata e hentet fa tekklapp FLA-6-11-1L fa TML (Tokyo Sokki Kenkyuo Co.,Ltd.) Gauge length L = 6 mm W = 2,2 mm 1m påmontet koplingledning Fig. 3.5 Ketkotet inneholde alle ketelementene Målebo (Bidge), Ocillato, Fofoteke (Pe-amplifie), Faefølom likeette, faekifte og lavpafilte 7
Femgangmåte fo å løe den teoetike oppgaven Oppgitte tøele: G = 2,1 R = 120 +/- 0,3 Ω L = 6 mm Legg et lodd på vektamen om gi DC out ca. 5 volt, le av output fa fofotekeen v i. Oppgit fotekning A d = 60 db = 1000 v m = v i / A d R 2 = 120 Ω Nete teg e å definee penningen mellom R 1 og R 3 til v a, og penningen mellom R 2 og tekklapp til v b. Vi ha da at v m = v b v a. v m = (R v i )/(R 2 + R ) v a Løt med henyn på R få vi: R = R 2 ( v m /v a + 1) Demed e R = R R Site teg e å beegne L: R/R = ( L/L)G L = (L R) / (R G) Demed han man alle tøele man tenge fo å egne ut elativ folengele L/L. 8
9