Žilinská univerzita v Žilinediplom.utc.sk/wan/626.pdf · 2006-08-10 · Žilinská univerzita v...
TRANSCRIPT
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta
Katedra telekomunikácií
Meranie charakteristík operačných zosilňovačov
pomocou LabVIEW
Bc. Roman Barčík
2006
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Meranie charakteristík operačných zosilňovačov pomocou
LabVIEW
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Bc. ROMAN BARČÍK
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE
Elektrotechnická fakulta
Katedra telekomunikácií
Študijný odbor: TEKOMUNIKÁCIE
Vedúci diplomovej práce: Ing. Anna Kondelová
Stupeň kvalifikácie: inžinier (Ing.)
Dátum odovzdania diplomovej práce: 19.05.2006
ŽILINA
2006
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 2
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Abstrakt
Diplomová práca sa venuje meraniam a simuláciám charakteristík operačných
zosilňovačov vo vývojovom prostredí LabVIEW, ktorý sa používa v meracej technike pri
návrhu a konštrukcii tzv. virtuálnych prístrojov (VI). Merania sú realizované pomocou
systéme NI ELVIS, ktorý je určený na meranie prostredníctvom počítača a programu
LabVIEW. V teoretickej časti je popísaná teória operačných zosilňovačov, vývojové
prostredie LabVIEW a systém NI ELVIS. Praktická časť je venovaná meraniam
charakteristík operačných zosilňovačov v navrhnutých zapojeniach na systéme NI
ELVIS. Merania sú porovnávané s uskutočnenými simuláciami operačných zosilňovačov
v programe LabVIEW s implementovanou tolerančnou analýzou obvodových prvkov a
napájacích napätí. Záverečná časť sa zaoberá návrhom a uskutočnením VI meraní
operačných zosilňovačov pre potreby dištančného vzdelávania predmetu
ELEKTRONIKA.
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 3
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta,
Katedra telekomunikácií
Anotačný záznam – Diplomová práca
Priezvisko a meno: Bc. Roman Barčík Školský rok: 2005/2006
Názov práce: Meranie charakteristík operačných zosilňovačov pomocou LabVIEW
Počet strán: 62 Počet obrázkov: 35 Počet tabuliek: 6
Počet grafov: 0 Počet príloh: 13 Použitá literatúra: 12
Anotácia (slovenský resp. český jazyk):
Táto diplomová práca sa zaoberá teoretickým popisom operačných zosilňovačov,
ich vlastnosťami a zapojeniami. Merania a simulácie charakteristík operačných
zosilňovačov sú realizované pomocou vývojového prostredia LabVIEW a systéme NI
ELVIS.
Anotácia v cudzom jazyku ( anglický resp. nemecký):
This diploma work deals with theoretic description of operational amplifiers, their
basic properties and connections. Measurements and simulations characteristics
operational amplifiers are realisation by development environment LabVIEW and system
NI ELVIS.
Kľúčové slová: operačný zosilňovač, LabVIEW, systém NI ELVIS, DAQ hardvér, SFP
softvér, meranie, simulácia, VI merania, napäťový offset, napäťová symetria, zosilnenie,
frekvenčná odozva, signál
Vedúci práce: Ing. Anna Kondelová
Recenzent práce: Ing. Iveta Ondrášová CSc.
Dátum odovzdania práce: 19.5.2006
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 4
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Obsah
1 Úvod..................................................................................................................................7
2 Teória obvodov ...............................................................................................................13
2.1 Operačné zosilňovače ..............................................................................................13
2.2 Parametre operačných zosilňovačov........................................................................14
2.2.1 Ideálny operačný zosilňovač.............................................................................14
2.2.2 Reálny operačný zosilňovač .............................................................................15
3 Vývojové prostredie LabVIEW ......................................................................................16
3.1 Úvod do LabVIEW..................................................................................................16
3.2 Základné časti virtuálneho prístroja.........................................................................16
3.2.1 Čelný panel .......................................................................................................17
3.2.2 Blokový diagram...............................................................................................19
3.2.3 Riadenie behu aplikácie ....................................................................................21
3.2.4 Ikona a konektor ...............................................................................................21
3.3 Práca vo vývojovom prostredí .................................................................................22
4.1 NI ELVIS hardware .................................................................................................25
4.1.1 NI ELVIS pracovná stanica ..............................................................................26
4.1.2 NI ELVIS prototypová doska ...........................................................................28
4.1.3 Princíp činnosti a technické parametre NI ELVIS hardvéru ............................29
4.2 NI ELVIS Softvér ....................................................................................................31
4.2.1 SFP prístroje......................................................................................................31
4.2.2 Programovanie NI ELVIS systému ..................................................................37
4.3 DAQ hardware .........................................................................................................40
4.3.1 DAQ hardware v NI ELVIS systéme................................................................40
4.3.2 DAQ hardvér NI PCI 6221 ...............................................................................41
4.4 Prepojenie signálov medzi NI ELVIS systémom a DAQ hardvérom......................41
5 Meranie charakteristík operačných zosilňovačov v programe LabVIEW......................43
5.1 Napäťový offset OZ.................................................................................................43
5.1.1 Teoretický rozbor..............................................................................................43
5.1.2 Meranie napäťového offsetu OZ.......................................................................43
5.2 Napäťová symetria OZ.............................................................................................46
5.2.1 Teoretický rozbor..............................................................................................46
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 5
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
5.2.2 Meranie napäťovej symetrie OZ.......................................................................48
5.3 Zosilnenie operačného zosilňovača .........................................................................50
5.3.1 Teoretický rozbor..............................................................................................50
5.3.2 Meranie zosilnenia operačného zosilňovača.....................................................50
5.4 Napäťové zosilnenie OZ pri sínusovom a obdĺžnikovom signáli............................53
5.4.1 Teoretický rozbor..............................................................................................53
5.4.2 Meranie napäťového zosilnenia OZ pri sínusovom a obdĺžnikovom signáli ...54
5.5 Frekvenčná odozva OZ ............................................................................................59
5.5.1 Teoretický rozbor..............................................................................................59
5.5.2 Meranie frekvenčnej odozvy OZ ......................................................................60
6 Tolerančná analýza obvodových prvkov a napájacích napätí.........................................63
7 Simulácia operačného zosilňovača v programe LabVIEW ............................................64
7.1 Simulácia OZ: Napäťový offset OZ.........................................................................64
7.2 Simulácia OZ: Napäťová symetria OZ ....................................................................65
7.2.1 Neinvertujúce zapojenie OZ .............................................................................65
7.2.2 Invertujúce zapojenie OZ..................................................................................66
7.3 Simulácia OZ: Zosilnenie operačného zosilňovača.................................................66
7.4 Simulácia OZ: Napäťové zosilnenie OZ pri sínusovom a obdĺžnikovom signáli ...67
7.4.1 Neinvertujúce zapojenie OZ .............................................................................67
7.4.2 Invertujúce zapojenie OZ..................................................................................68
7.5 Simulácia OZ: Frekvenčná odozva OZ....................................................................69
7.5.1 Neinvertujúce zapojenie OZ .............................................................................69
7.5.2 Invertujúce zapojenie OZ..................................................................................70
8 Návrhy VI meraní OZ pre potreby dištančného vzdelávania .........................................71
8.1 VI merania na operačných zosilňovačoch ...............................................................71
8.2 VI meranie na aktívnom pásmovom priepuste ........................................................71
8.3 VI meranie na korekčnom zosilňovači ....................................................................71
9 Záver ...............................................................................................................................72
10 Zoznam použitej literatúry............................................................................................73
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 6
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Zoznam obrázkov a tabuliek
Obrázok 2.1 Schematická značka OZ
Obrázok 3.1 Čelný panel virtuálneho prístroja
Obrázok 3.2 Ponúka prvkov čelného panelu
Obrázok 3.3 Blokový diagram virtuálneho prístroja
Obrázok 3.4 Paletové menu funkcií a štruktúr blokového diagramu
Obrázok 3.5 Miesto pre ikonu a konektor virtuálneho prístroja
Obrázok 4.1 NI ELVIS systém
Obrázok 4.2 Časti NI ELVIS systému
Obrázok 4.3 NI ELVIS hardvér
Obrázok 4.4 Ovládací panel NI ELVIS pracovnej stanice
Obrázok 4.5 NI ELVIS prototypová doska
Obrázok 4.6 Bloková schéma NI ELVIS voltmetra – vstupné signály
Obrázok 4.7 Instrument Launcher
Obrázok 4.8 Virtuálny prístroj Bode Analyzer
Obrázok 4.9 Virtuálny prístroj Digital Multimeter DMM
Obrázok 4.10 Virtuálny prístroj Function Generator FGEN
Obrázok 4.11 Virtuálny prístroj Oscilloscope Scope
Obrázok 4.12 Virtuálny prístroj Variable Power Supplies
Obrázok 4.13 Aplikácia premenlivého napájacieho zdroja
Obrázok 5.1 Zapojenie OZ pre meranie napäťového offsetu
Obrázok 5.2 Virtuálny prístroj DMM: Uout = 0,629 V
Obrázok 5.3 Virtuálny prístroj DMM: Uout = 69,479 mV
Obrázok 5.4 Neinvertujúce zapojenie OZ
Obrázok 5.5 Invertujúce zapojenie OZ
Obrázok 5.6 Prevodová charakteristika neinverujúceho zapojenia OZ
Obrázok 5.7 Nastavenie napätia na virtuálnom prístroji Variable Power Supplies
Obrázok 5.8 Schéma zapojenia pre meranie zosilnenia OZ
Obrázok 5.9 Virtuálny prístroj DMM: Uout = -10,062 V
Obrázok 5.10 Virtuálny prístroj DMM: UI ∗ = 0,064 V
Obrázok 5.11 Virtuálny prístroj DMM: UI = 0,638 mV
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 7
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Obrázok 5.12 Funkcia a) neinvertujúceho vstupu b) invertujúceho vstupu
Obrázok 5.13 Časová odozva napätia na výstupe OZ
Obrázok 5.14 Neinvertujúce zapojenie OZ
Obrázok 5.15 Invertujúce zapojenie OZ
Obrázok 5.16 Amplitúdová frekvenčná charakteristika OZ
Tabuľka 4.1 Signálová korelácia
Tabuľka 4.2 Analógové prepojenie vstupných signálov
Tabuľka 5.1 Namerané hodnoty Uin, Uout a vypočítané hodnoty Au (sínusový signál)
Tabuľka 5.2 Namerané hodnoty Uin, Uout a vypočítané hodnoty Au (obdĺžnik. signál)
Tabuľka 5.3 Namerané hodnoty Uin, Uout a vypočítané hodnoty Au (sínusový signál)
Tabuľka 5.4 Namerané hodnoty Uin, Uout a vypočítané hodnoty Au (obdĺžnik. signál)
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 8
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Zoznam skratiek a symbolov
Skratky:
OZ operačný zosilňovač
LabVIEW Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench
G (Graphical language) grafický jazyk
DAQ (Data Acquisition) zber dát
VI (Virtual Instrument) virtuálny prístroj
Sub – VI (Sub Virtual Instrument) podriadený virtuálny prístroj
NI (National Instruments) názov spoločnosti
GUI (Graphical User Interface) grafické užívateľské rozhranie
PCI (Peripheral Component Interconnect) konektor pre pripojenie periférnych
zariadení
A/D analógovo / digitálny
AI (analog input) analógový vstup
AO (analog output) analógový výstup
I/O (input / output) vstup / výstup
DIO (digital input / output) digitálny vstup / výstup
ADC analógovo digitálny prevodník
DAC digitálne analógový prevodník
CMRR (common mode rejection ratio) činiteľ potlačenia súčtového signálu
GND (ground) zem
DMA (direct memory access) priamy prístup do pamäte
DC jednosmerné veličiny
AC striedavé veličiny
NI ELVIS (NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite) virtuálna
laboratórna vzdelávacia prístrojová súprava
API (Application Program Interface) aplikačné programovacie rozhranie
USB (universal serial bus) univerzálna sériová zbernica
BNC (Bayonet Neill-Concelman) konektor
SFP (soft front panel) predný panel
DMM (digital multimeter) digitálny multimeter
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 9
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ARB (Arbitrary Waveform Generator) generátor ľubovoľne tvarovaného
priebehu
DSA (Dynamic Signal Analyzer) analyzátor dynamických signálov
LED (light-emitting diode) dióda emitujúca svetlo
FGEN (function generator) funkčný generátor
Scope osciloskop
HI kladný vstup
LO záporný vstup
CH (channel) kanál
D-SUB konektor
atď. a tak ďalej
virt. virtuálny
príst. prístroj
Symboly:
+UCC kladné napájacie napätie
– UCC záporné napájacie napätie
Ud rozdielové napätie
U+ napätie na neinvertujúcom vstupu
U- napätie na invertujúcom vstupu
A zosilnenie
Au napäťové zosilnenie
AudB napäťové zosilnenie v dB
AOL napäťové zosilnenie pri otvorenej slučke
AN napäťové zosilnenie neinvertujúceho zapojenia OZ
AIN napäťové zosilnenie invertujúceho zapojenia OZ
U napätie
Uin vstupné jednosmerné napätie
Uout výstupné jednosmerné napätie
uin vstupné striedavé napätie
uout výstupné striedavé napätie
Uomax rozkmit výstupného napätia
Up-p napätie špička – špička
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 10
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– f frekvencia
fp frekvencia prenosu
fm medzná frekvencia
fT tranzitná frekvencia
f0 referenčná frekvencia
fd dolná frekvencia (pokles prenosu o 3dB)
fh horná frekvencia (pokles prenosu o 3dB)
Rd vstupný odpor medzi neinvertujúcim a invertujúcim vstupom
R0 vnútorný odpor operačného zosilňovača voči zemi
UIO vstupné offsetové napätie
Uoffset offsetové napätie
R rezistor
RS vstupný rezistor
RL zaťažovací rezistor
C kapacitor
Ck korekčný kapacitor
B stupeň spätnej väzby
Z impedancia
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 11
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 1 Úvod
S pokrokom doby sa návrhári a konštruktéri elektrotechnických systémov a
zariadení uberajú cestou využitia moderných softvérových alebo hardvérových
technológií. Vďaka ich využitiu dostávajú ďaleko väčšie možnosti na realizáciu svojich
predstáv, čim sa podstatne zjednodušuje a zrýchľuje ich pracovná činnosť. Využitie
moderných technológií, preto začína presadzovať mnoho spoločností, ktoré sa zaoberajú
vývojom. Vhodnou kombináciou technického a programového vybavenia je možné
navrhnutý systém alebo zariadenie odsimulovať a požadované parametre priamo zobraziť
pomocou počítača na monitore. Takéto riešenie začínajú používať aj univerzity na
rôznych laboratórnych cvičeniach. Možným riešením kombinácie technického a
programového vybavenia je aj vývojové prostredie LabVIEW od firmy National
Instruments s jeho prídavnými hardvér komponentmi. V diplomovej práci sa budem
zaoberať meraním a simuláciou charakteristík operačných zosilňovačov vo vývojovom
prostredí LabVIEW na meracom systéme NI ELVIS, ktoré spolu tvoria ucelený skúšobný
systém. Ďalej sa budem zaoberať využitím systému pre potreby dištančného vzdelávania
predmetu ELEKTRONIKA.
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 12
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 2 Teória obvodov
2.1 Operačné zosilňovače
Operačný zosilňovač OZ je v podstate diferenciálny jednosmerný aj striedavý
zosilňovač s veľkým zosilnením realizovaný v integrovanej forme. Základom jeho
vnútornej štruktúry je diferenciálny (mostíkový) jednosmerný zosilňovač. Ide o
univerzálny obvod so širokým spektrom využitia. OZ môže mať vstup aj výstup
symetrický alebo nesymetrický. Najčastejšie sa používa kombinácia symetrický vstup
a nesymetrický výstup. Potom jeden zo symetrických vstupov, ktorý nespôsobuje
otočenie fázy výstupného signálu sa nazýva neinvertujúci (označujeme ho znamienkom
+) a druhý, ktorý spôsobuje otočenie fázy sa nazýva invertujúci (označujeme ho
znamienkom -). OZ má symetrické napájanie kladné +UCC a záporné – UCC.. Rozhranie
operačného zosilňovača na obr. 2.1 obsahuje:
• neinvertujúci vstup,
• invertujúci vstup,
• výstup,
• dva napájacie vývody, ktoré sa v schémach obyčajne nekreslia,
• vstupy na kompenzáciu prenosovej charakteristiky a kompenzáciu driftov.
Obr.2.1 Schematická značka OZ
Vstupný rozdielový zosilňovač zosilňuje len rozdiel napätí Ud medzi neinvertujúcim a
invertujúcim vstupom.
Platí: (1) −+ −= UUUd
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 13
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Pre výstupné napätie Uout platí vzťah:
Uout = A.Ud, (2)
kde A reprezentuje zosilnenie operačného zosilňovača. Vzťah platí len pre výstupné
napätie, ktoré je menšie ako napätia napájania. Ak spojíme kladný a záporný vstup, je
U+= U-, rozdielové napätie Ud je nulové a výstupné napätie je tiež nulové, bez ohľadu na
vstupnú hodnotu napätia. Ideálny OZ je aktívna dvojbrána, ktorej napäťové zosilnenie a
vstupná impedancia sú neobmedzene veľké. Veľmi veľké zosilnenie operačného
zosilňovača sa dosahuje viacstupňovou štruktúrou, pričom možnosť zosilňovania
jednosmerného signálu je zabezpečená použitím jednosmernej medzistupňovej väzby.
Obvody spätnej väzby sa pripájajú zvonku integrovaného obvodu. Vzhľadom na veľmi
veľké zosilnenie AOL operačného zosilňovača, výsledné napäťové zosilnenie je určené
výhradne veľkosťou prvkov tvoriacich spätnú väzbu. [1]
2.2 Parametre operačných zosilňovačov
2.2.1 Ideálny operačný zosilňovač
Väčšina výpočtov a úvah predpokladá použitie ideálneho OZ, ktorý má
nasledujúce základné vlastnosti:
• nekonečné zosilnenie v celom frekvenčnom pásme,
• zosilnenie zosilňovača musí byť nezávislé na veľkosti výstupného prúdu,
• nekonečnú vstupnú impedanciu,
• operačný zosilňovač žiadnym spôsobom neovplyvňuje okolité obvody, vstupné
prúdy invertujúceho i neinvertujúceho vstupu sú nulové,
• nulový výstupný odpor,
• nulové napätie pri skrate obidvoch vstupov na zem (stred napájacieho napätia),
• rozdiel napätí obidvoch vstupov je nulový,
• statická prevodová charakteristika je priamka a platí: Uout = f (Uin) (3)
(Uin je vstupné napätie a Uout je výstupné napätie),
• fázový posuv výstupného napätia voči vstupnému je 0 alebo π v celom
prenášanom pásme,
• parametre OZ nie sú závislé na zmenách napájacieho napätia a teploty. [1]
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 14
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 2.2.2 Reálny operačný zosilňovač
Reálne vlastnosti operačného zosilňovača definuje viacero parametrov, ktoré sú
viazané na určité predpísané pracovné podmienky. Medzi základné parametre paria:
• napäťová nesymetria vstupov operačného zosilňovača UIO je napätie, ktoré sa
musí priviesť medzi vstupné svorky + a - OZ, aby výstupné napätie bolo nulové,
• prúdová nesymetria vstupov IIO je rozdiel prúdov do obidvoch vstupov, ak je
výstupné napätie nulové,
• vstupný kľudový prúd IIB je stredná hodnota jednosmerných prúdov tečúcich
medzi vstupnými svorkami a zemou pri nulovom vstupnom signály,
• vstupný napäťový rozsah Uin je rozsah vstupných napätí, v ktorom má operačný
zosilňovač špecifikované funkčné vlastnosti,
• vstupný odpor Rd je odpor medzi neinvertujúcim a invertujúcim vstupom,
• výstupný odpor R0 je vnútorný odpor operačného zosilňovača voči zemi,
• napäťové zosilnenie pri otvorenej slučke AOL je napäťové zosilnenie definované
pre predpísanú záťaž, napájacie napätie a maximálny prípustný neskreslený signál
pri kompenzovanej napäťovej nesymetrií vstupov,
• napájacie napätie UCC je napájacie napätie (+UCC, -UCC) operačného zosilňovača,
• rozkmit výstupného napätia Uomax je rozkmit napätia na výstupe OZ pri danom
napájacom napätí (+UCC, -UCC) a odporovom zaťažení RL,
• napájacie prúd ICC je napájací prúd OZ pri nulovom výstupnom napätí,
• frekvenčný rozsah, šírka pásma B je frekvenčné pásmo, v ktorom Au poklesne o
3dB vzhľadom na hodnotu pri referenčnej frekvencií fo,
• tranzitná frekvencia fT je frekvencia, pri ktorej platí: AOL (fT) = 1, (4)
• činiteľ potlačenia súčtového signálu CMMR, sa vyjadruje pomerom vstupného
napäťového rozsahu UI k maximálnej zmene napäťovej nesymetrie v tomto
rozsahu, pri otvorenej slučke spätnej väzby,
• rýchlosť priebehu SR výstupného napätia udáva rýchlosť zmeny výstupného
napätia pri veľkom vstupnom signáli. Táto hodnota úzko súvisí s maximálnou
frekvenciou prenosu fp a amplitúdou signálu Uout na výstupe OZ. Platí:
SR = 2*π*fp*Uout (5)
[2]
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 15
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 3 Vývojové prostredie LabVIEW
3.1 Úvod do LabVIEW
LabVIEW (Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench) je
programovacie vývojové prostredie pre vytváranie aplikácií, tzv. virtuálnych prístrojov,
orientovaných na oblasti merania, spracovania a použitia nameraných dát. Poskytuje
užívateľovi plnohodnotný programovací jazyk zo všetkými odpovedajúcimi dátovými a
programovými štruktúrami v grafickej podobe tzv. G jazyk (Graphical language).
LabVIEW je teda vývojovým prostredím na úrovni napríklad C jazyka, ale na rozdiel od
neho nie je orientovaný textovo, ale graficky. Výsledný produkt vývojového prostredia sa
nazýva virtuálny prístroj (Virtual Instrument), pretože svojimi prejavmi a činnosťami
pripomína klasický prístroj vo svojej fyzickej podobe. LabVIEW obsahuje knižnice pre
získavanie dát, ovládače GPIB a sériového rozhrania RS 232, pre analýzu dát, prezentáciu
dát a pre ich uchovanie. Obsahuje tiež klasické programovacie nástroje, ktorými možno
nastaviť miesta prerušenia behu programu, animovať chod sledu príkazov, aby bolo
zrejmé, ako dáta prechádzajú programom a krokovať program pre ľahšie odlaďovanie a
vývoj. LabVIEW obsahuje vstavané knižnice pre plug-in DAQ karty a prístroje GPIB,
VXI a sériovej komunikácie, rozšíriteľnú knižnicu analýz pre spracovanie signálov,
štatistiku a komplexnú analýzu, sieťovú a medziprocesovú komunikáciu s ActiveX, DDE
a internetovým TCP/IP. Užívateľské rozhranie tvorí panel obsahujúci ovládacie
a indikačné prvky. Vlastný program je reprezentovaný grafickou blokovou schémou.
Program nepracuje sekvenčne, výpočet je riadený tokom dát. Blok zaháji výpočet
v okamžiku, kedy má dáta na všetkých vstupoch, po spracovaní posiela výsledky na
všetky výstupy. Procesy jednotlivých blokov teda bežia (s ohľadom na hardvér
a operačný systém) paralelne. [3]
3.2 Základné časti virtuálneho prístroja
Virtuálny prístroj ako základná jednotka aplikácie vytvorenej vo vývojovom
prostredí LabVIEW obsahuje:
• interaktívne grafické rozhranie ( GUI - Graphical User Interface ) ku koncovému
užívateľovi – tzv. čelný panel (Front Panel), ktorý simuluje čelný panel fyzického
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 16
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
prístroja. Obsahuje prvky pre ovládanie a indikáciu. Čelný panel ovláda užívateľ
pomocou myši alebo klávesnice,
• činnosť virtuálneho prístroja je daná jeho blokovým diagramom (Block Diagram).
Táto bloková schéma je vytvorená ikonami reprezentujúcimi v koncových
blokoch ovládacie a indikačné prvky čelného panelu a vo svojich uzlových
blokoch sú to bloky spracovávajúce prechádzajúce dáta. Blokový diagram je
zdrojovou podobou každej aplikácie,
• virtuálny prístroj má hierarchickú a modulačnú štruktúru. Je možné ju používať
ako celý program alebo jeho jednotlivé podprogramy, ktoré sa nazývajú
podriadené virtuálne prístroje (Sub – VI). Súčasťou každého virtuálneho prístroja
je jeho ikona, ktorou je prezentovaný v blokovej schéme a konektor s prípojnými
miestami pre vstupný a výstupný signál.
Týmito charakteristickými rysmi napĺňa vývojové prostredie LabVIEW podmienky
modulárneho programovania. Svoju aplikáciu delí užívateľ na jednotlivé úlohy, pre ktoré
vytvára jednotlivé virtuálne prístroje (Sub - VI) a z nich potom buduje celú aplikáciu ich
spojovaním do výsledného virtuálneho prístroja. Výslednú aplikáciu je možné preložiť do
EXE tvaru, ktorý môžem prevádzkovať nezávisle na vývojovom prostredí s pomocou
jeho Run – Time modulu, ktorý je voľne distribuovateľný. [3]
3.2.1 Čelný panel
Interaktívne grafické rozhranie (GUI - Graphical User Interface) plní úlohu
predného panelu fyzického prístroja. Pre vytváranie predného panelu virtuálneho prístroja
je k dispozícií samostatné okno. Príklad predného panelu virtuálneho prístroja je na obr.
3.1. Na čelnom paneli virtuálneho prístroja sa nachádzajú dva typy prvkov:
• ovládacie (controls) - simulujúce vstupné zariadenia. Slúžia na ovládanie
virtuálneho prístroja a sprostredkúvajú vstupné informácie od užívateľa do
aplikácie. V blokovom diagrame sú to bloky, v ktorých signál vystupuje do
algoritmu,
• indikačné (indicators) - simulujúce výstupné zariadenia. Slúžia k indikácií stavu
virtuálneho prístroja a výstupu výsledkov. Sprostredkúvajú predávanie informácií
smerom od aplikácie k užívateľovi. V blokovom diagrame sú to bloky, v ktorých
signálové cesty končia.
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 17
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Obr. 3.1 Čelný panel virtuálneho prístroja
Oba typy prvkov sa na čelný panel umiestňujú z knižnice, ktorá je súčasťou systému. Z
knižnice môžem prvky vyberať pomocou ponuky obr. 3.2, ktorú môžem sprístupniť
pomocou menu Windows / Show Controls Palette alebo kliknutím na pravé tlačidlo myši
kdekoľvek v okne čelného panelu. Ponuka je hierarchicky členená. Ak je v pravom
hornom rohu políčka šípka vpravo, pokračuje ponuka podrobnejším členením nižších
úrovní. Okno ponuky je zobrazené buď dočasne počas výberu prvku, (vľavo hore v
ponuke ikonka špendlíku) alebo trvalo po kliknutí na ikonku špendlíku.
Obr. 3.2 Ponuka prvkov čelného panelu
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 18
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Lišta nástrojov v okne ponuky, ktorá sa zobrazí pri prepnutí na trvalé zobrazenie ponuky,
obsahuje tri možnosti:
• šípka hore pre postúpenie o úroveň vyššie,
• search (lupa) pre možnosť hľadania v zozname všetkých VI a prvkov čelného
panelu uložených na disku. V rámci tejto možnosti zadáva užívateľ text, ktorý
obsahuje alebo začína menom súboru s hľadaným prvkom,
• options (možnosti) výber z rôznych sad ponúk s možnosťou ich editácie.
Po výbere prvku v ponuke pridržaním ľavého tlačidla myši, môžem vytiahnuť obrys
vybraného prvku na čelný panel a umiestniť ho na požadované miesto. Po umiestnení
prvku v okne čelného panelu môžem meniť jeho veľkosť, umiestnenie, farbu atď. Zmeny
prvkov čelného panelu môžem robiť aj dodatočne. Každý prvok čelného panelu má
naviac menu vyvolateľné kliknutím kurzoru myši na prvku pravým tlačidlom myši a v
tomto menu môžem meniť iné vlastnosti prvku. [3]
3.2.2 Blokový diagram
Blokový diagram je grafickým vyjadrením zdrojového kódu virtuálneho prístroja.
Príklad blokového diagramu virtuálneho prístroja je na obr. 3.3. Vytvára sa prepojovaním
jednotlivých blokov signálovými cestami.
Obr. 3.3 Blokový diagram virtuálneho prístroja
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 19
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Bloky sú tvorené koncovými blokmi (zdrojovými a cieľovými - source and sink
terminals), ktoré sú na panel blokového diagramu umiestnené automaticky pri tvorbe
čelného panelu a tiež uzlovými blokmi (nodes), ktoré reprezentujú bloky spracovania
signálov. Bloky môžem vyberať z ponuky Functions, ktorú reprezentuje knižnica funkcií
v okne blokového diagramu obr. 3.4. Ponuku s funkciami môžem vyvolať obdobným
spôsobom ako ponuku prvkov čelného panelu a to buď cez menu Windows / Show
Functions Palette alebo kliknutím na pravé tlačidlo myši v okne blokového diagramu.
Obr. 3.4 Paletové menu funkcií a štruktúr blokového diagramu
Pri prepínaní medzi oknom čelného panelu a oknom blokovej schémy, ak sú trvale
zobrazené ponuky Controls alebo Functions, dochádza automaticky k ich prepínaniu
podľa toho, ktoré okno je práve aktuálne. K rýchlemu prepínaniu medzi oknom čelného
panelu a oknom blokového diagramu je dobré si zapamätať klávesy Ctrl E. Platí, že
môžem mať k danému virtuálnemu prístroju otvorené obe okná (čelný panel aj blokový
diagram), alebo len okno čelného panelu. Nemôžem mať otvorené iba okno blokového
diagramu. Ak zatvorím okno blokového diagramu zatvorí sa iba toto okno a pri zatvorení
okna čelného panelu sa zatvoria obe okná súčasne. Uzlové bloky sú v blokovom
diagrame ekvivalentné príkazom, operátorom, funkciám a podprogramom klasických
programovacích jazykov. Bloky sa prepájajú signálovými cestami (wires) a okrem tohto
pripojenia existujú ešte programové štruktúry (structures), nahrádzajúce v grafickej
podobe štandardné konštrukcie používané v programovacích jazykoch (podmienený
príkaz, prepínač, cyklus...). LabVIEW má aj pripojenie na externé bloky textovo
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 20
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– orientovaného kódu a na textovo orientované výrazy. Signálovou cestou sa pripojujú
zdrojové a cieľové koncové bloky. Nemôžem prepojiť vzájomne dva zdrojové koncové
bloky, ale môžem spojiť jeden zdrojový koncový blok k niekoľkými cieľovými. Tvar
a farba signálovej cesty definuje typ premennej, ktorá prechádza daným miestom. [3]
3.2.3 Riadenie behu aplikácie
Beh aplikácie v LabVIEW je riadený tokom dát (data flow) a je charakterizovaný
jediným pravidlom, a to, že uzlový blok štartujúci spracovanie dát, má k dispozícií platné
dáta na všetkých svojich vstupoch a po spracovaní ich posiela ku všetkým svojim
výstupom. Jednotlivé bloky môžu pracovať aj súčasne a tým sa tento spôsob výrazne líši
od sekvenčného spôsobu spracovania dát v textovo orientovaných jazykoch, kde je beh
aplikácie riadený postupnosťou príkazov. Použitie uvedeného pravidla umožňuje veľmi
jednoduchú realizáciu paralelných vetví pri spracovaní aplikácie. [3]
3.2.4 Ikona a konektor
Behom práce virtuálneho prístroja ako podriadeného volaného iným virtuálnym
prístrojom je jeho práca analogická podprogramu. Svojimi zdrojovými koncovými blokmi
prijíma dáta z volajúceho nadriadeného virtuálneho prístroja a svojimi cieľovými
koncovými blokmi po spracovaní tomuto nadradenému virtuálnemu prístroju spracované
dáta opäť vracia. V blokovom diagrame nadriadeného virtuálneho prístroja je podriadený
virtuálny prístroj reprezentovaný ikonou, ktorej súčasťou je aj sada vstupných a
výstupných prepojovacích miest tzv. konektorov. Konektor sa podobá zoznamu
parametrov funkcie z klasických programovacích jazykov. Každé prípojné miesto môže
korešpondovať s jedným ovládacím alebo indikačným prvkom z čelného panelu tohto
virtuálneho prístroja. Ikonu a konektor môžem vidieť v pravom hornom rohu okna
čelného panela a okna blokového diagramu obr. 3.5. [3]
Obr. 3.5 Miesto pre ikonu a konektor virtuálneho prístroja
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 21
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 3.3 Práca vo vývojovom prostredí Stručný a rýchly popis práce vo vývojov prostredí LabVIEW som zhrnul v
nasledujúcich bodoch:
• základom je Panel (Untitled 1) a Diagram (Untitled 1 Diagram), ostatné okna je
možné zatvoriť,
• panel obsahuje textové a grafické menu, ikonu a pracovnú plochu pre ovládacie
a indikačné prvky,
• diagram obsahuje to isté textové a grafické menu rozšírené o odlaďovacie funkcie,
ikonu a pracovnú plochu pre blokovú schému,
• ponuka v paneli a v diagrame je ekvivalentná, je možné použiť obidve s tým istým
výsledkom,
• kliknutím pravým tlačidlom myši na pracovnej ploche panelu sa objaví paleta
Controls obsahujúca knižnice ovládacích a indikačných prvkov, ktoré je možné
umiestniť na panel, po umiestnení prvku na panel sa automaticky vytvorí
v blokovom diagrame blok odpovedajúceho dátového typu, doporučuje sa preto
každý prvok hneď po vytvorení pomenovať, aby ho bolo možné v blokovom
diagrame ľahko rozlíšiť,
• po kliknutí pravým tlačidlom myši na pracovnej ploche diagramu sa objaví paleta
Functions obsahujúca knižnice blokov,
• každé okno má v ľavom hornom rohu ikonu špendlíka, po kliknutí na túto ikonu
ostane okno trvale na obrazovke,
• po kliknutí pravým tlačidlom myši na ľubovoľný objekt, v diagrame alebo
v panelovom okne, sa objaví menu umožňujúce meniť vlastnosti objektu, získať
nápovedu k objektu a ďalšie,
• pri stlačení shift + pravé tlačidlo sa objaví paleta Tools, rozhodujúca o funkcii
myši (Tab cyklicky prepína),
• medzerník (Spacebar) prepína medzi Operating a Positioning tool na paneli
a medzi Positioning a Wiring tool v diagrame,
• posúvať objekty o bod je možné pomocou šípok, o viac bodov so shiftom, myšou
pomocou Positioning tool (šípky),
• kopírovať objekty je možné myšou pomocou Positioning tool (šípky) s Ctrl,
• nápoveda:
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 22
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
a)
• základná nápoveda k LabVIEW, v menu Help – Online Reference ...,
• k informácii o objekte je možné pristúpiť tiež pomocou Online Help
v pop-up menu objektu,
b)
• v menu Help – Show Help je naviac k dispozícii nápoveda k objektom,
• obsah okna sa mení v závislosti na objekte, s ktorým sa pracuje,
• automatickú aktualizáciu okna je možné pozastaviť voľbou Help – Lock
Help v menu alebo ikonou zámku priamo v okne nápovedy,
• je možné voliť medzi stručným a podrobným popisom, a to voľbou Help -
Simple Help v menu alebo ikonou bloku v okne nápovedy,
• je možnosť vyvolať základnú nápovedu ikonou s otáznikom.
[4]
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 23
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 4 NI ELVIS systém
ELVIS systém obr. 4.1 pracuje na filozofii DAQ systémov, ktoré zberajú, merajú
a analyzujú fyzické úkazy zo skutočného sveta. Svetlo, teplota, tlak, a krútiaci moment sú
príklady rôznych typov signálov, ktoré DAQ systémy môžu merať. Získavanie informácií
je proces zberania, merania elektrických signálov zo snímačov alebo predmetov a ich
posielania na spracovanie do počítača. Stavebné prvky DAQ systému zahrňujú
nasledujúce časti obr. 4.2:
• snímacie zariadenie, ktoré mení fyzické úkazy ako svetlo, teplotu, tlak alebo zvuk
do merateľného elektrického signálu ako napätie alebo prúd,
• signál ako produkt DAQ systémového snímača,
• spracovanie signálu ako hardware, ktorý môžem pripojiť k DAQ hardvéru na
úpravu signálov (napr. filtrovanie) vhodných pre meranie, zlepšenie presnosti
alebo redukciu šumu,
• DAQ hardvér, ktorý získava, meria a analyzuje dáta,
• softvér, kde NI aplikačné programy sú navrhnuté k tomu, aby pomohli ľahko
navrhnúť a programovať meranie a riadenie aplikácií. [5]
1. LabVIEW program 5. Konektor NI ELVIS dosky
2. DAQ hardvér 6. Napájací vypínač NI ELVIS dosky
3. 68-Pin E/M sériový kábel 7. NI ELVIS pracovná stanica
4. NI ELVIS prototypová doska
Obr. 4.1 NI ELVIS systém
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 24
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Obr. 4.2 Časti NI ELVIS systému
4.1 NI ELVIS hardware
NI ELVIS hardvér obr. 4.3 môžeme rozdeliť na dve hlavné časti, a to na pracovnú
stanicu a prototypovú dosku.
1. Pohotovostný vypínač pracovnej stanice 4. Nosný držiak prototypovej dosky
2. AC-DC konektor sieťového napájania 5. Kensington bezpečnostný otvor
3. 68-Pin DAQ konektor zariadenia
Obr. 4.3 NI ELVIS hardvér
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 25
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 4.1.1 NI ELVIS pracovná stanica
Pracovná stanica obr. 4.4 a DAQ hardvér spolu tvoria kompletný skúšobný
systém. Kontrolný panel (control panel) na pracovnej stanici poskytuje ľahko obslužné
ladenie pre funkčný generátor a variabilné napájania. Taktiež ponúka vhodné pripojenie
vo forme BNC a banana konektorov na NI ELVIS osciloskop SFP a NI ELVIS - DMM
SFP. NI ELVIS softvér smeruje signály v NI ELVIS pracovnej stanici medzi SFP
zariadeniami. Pracovná stanica tiež obsahuje ochrannú dosku (protection board), ktorá
chráni DAQ hardvér proti možnému poškodeniu, ktoré vyplýva zo skúšobných chýb.
1. Systémová LED 5. Funkčný generátor
2. Vypínač napájania dosky 6. DMM konektory
3. Komunikačný vypínač 7. Osciloskop konektory
4. Premenlivý napájací zdroj
Obr. 4.4 Ovládací panel NI ELVIS pracovnej stanice
Pracovná stanica má nasledovné riadiace prvky a indikátory:
• systémová LED - indikuje či NI ELVIS hardvér je zapnutý,
• vypínač napájania dosky - ovládanie napájania dosky,
• komunikačný vypínač - požiadavka zablokovania softvér kontroly nad NI ELVIS.
Toto nastavenie poskytuje priamy prístup k DIO linkám DAQ hardvéru,
• ovládanie premenlivého napájacieho zdroja – môžem ovládať variabilné
napájanie cez riadiace prvky, a to buď pomocou pracovnej stanice (ručný režim)
alebo riadiacim prvkom NI ELVIS variabilné napájanie SFP (softvérový spôsob).
Môžem používať riadiace prvky premenlivého napájania v ručnom režime:
- zdroj (-) – riadenie
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 26
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
• ručný spínač - ovládanie zdroja ručným alebo softvérovým režimom.
• napäťový otočný regulátor – ovládač zdroja v rozpätí –12 až 0 V.
- zdroj (+) – riadenie
• ručný spínač - ovládanie zdroja ručným alebo softvérovým režimom.
• napäťový otočný regulátor - ovládač výstup. (+) zdroja v rozpätí 0 až 12 V.
• ovládanie funkčného generátora – funkčný generátor môžem ovládať cez riadiace
prvky a to buď pomocou pracovnej stanice (ručný režim) alebo riadiacim prvkom
NI ELVIS - FGEN SFP (softvérový spôsob). Môžem používať nasledujúce
riadiace prvky funkčného generátora v ručnom režime:
- ručný spínač - ovládanie zdroja ručným alebo softvérovým režimom.
- funkčný voliaci spínač - ponúka aký typ kriviek NI ELVIS môže generovať napr.
sínus, obdĺžnik alebo triangel.
- amplitúdový otáčací regulátor - nastavuje maximálnu amplitúdu generovaných
kriviek.
- otáčací regulátor hrubej frekvencie - nastavuje rozsah frekvencií funkčného
generátora.
- otáčací regulátor - nastavuje výstupnú frekvenciu funkčného generátora.
• DMM konektory – DMM je umelo uzemnený.
- prúdový banana konektor
• HI - kladný vstup k všetkým DMM meraniam, mimo merania napätia.
• LO - záporný vstup k všetkým DMM meraniam, mimo merania napätia.
- napäťový banana konektor
• HI - kladný vstup k meraniam napätia.
• LO - záporný vstup k meraniam napätia.
• osciloskop konektory
- CH A BNC konektor - vstup pre kanál A osciloskopu.
- CH B BNC konektor - vstup pre kanál B osciloskopu.
- spúšťací BNC konektor - vstup k spúšťaniu osciloskopu.
[5]
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 27
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 4.1.2 NI ELVIS prototypová doska
NI ELVIS prototypová doska obr. 4.5 je pripojená k pracovnej stanici
štandardným PCI konektorom. Prototypová doska poskytuje oblasť pre vybudovanie
elektronickej sústavy obvodov a ponúka potrebné pripojenia pre signály pre všeobecné
aplikácie. Doska vyvádza všetky signálové vývody NI ELVIS k používateľovi cez
distribučné pole po oboch stranách pokusnej doskovej oblasti. Každý signál má svoj rad
poľa a rady sú triedené podľa funkcie. Prototypová doska zabezpečuje prístupy k ±15 V a
+5 V zdrojom napätia. Popis signálov prototypovej dosky je uvedený v prílohe č. 1.
1. AI, osciloskop a programovateľné I/O signálové rady
2. DIO signálne rady 3. LED pole 4. D - SUB konektor
5. Počítadlo/časovač, používateľom konfigurované I/O a DC napájacie signálové rady
6. DMM, AO, funkčný generátor, používateľom konfigurované I/O, variabilné napájania,
a DC napájacie signálové rady
7. LED 8. BNC konektory 9. Banana konektory
Obr. 4.5 NI ELVIS prototypová doska
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 28
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 4.1.3 Princíp činnosti a technické parametre NI ELVIS hardvéru
NI ELVIS hardvér zahŕňa množstvo technických a prevádzkových parametrov pre
jednotlivé vstupné a výstupné terminály, ktoré sú popísané v literatúre [5]. Ako príklad
som uviedol popis DMM.
Princíp činnosti DMM
DAQ hardvér je konfigurovaný pre diferenciálny merací spôsob pre všetky DMM
merania. DMM meranie je vzťažné k NI ELVIS GROUND signálu. NI ELVIS softvér
typicky nastavuje vstupné limity signálu, ale niektoré NI ELVIS SFP prístroje dovoľujú
ručne zmeniť limity signálu. Ako príklad pre ďalší popis činnosti DMM som uviedol
príklad, kedy DMM je vo funkcií voltmetra.
DMM vo funkcií voltmetra
Keď použijem DMM ako voltmeter, diferenciálne kanály AI 7 až AI 15 DAQ
zariadenia sú použité pre čítanie napäťového signálu z NI ELVIS hardvéru. NI ELVIS
priloží zisk 0,5 k napätiam, ktoré sú pripojené na VOLTAGE HI a VOLTAGE LO.
Bloková schéma NI ELVIS voltmetra – vstupné signály je na obr. 4.6
Obr. 4.6 Bloková schéma NI ELVIS voltmetra - vstupné signály
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 29
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Vstup k obvodu NI ELVIS voltmetra môže pochádzať z NI ELVIS prototypovej dosky
alebo z konektorov NI ELVIS pracovnej stanice riadiaceho panelu. Keď je prototypová
doska vypnutá, oba vstupy zostanú v činnosti. Vstupy k voltmetru nie sú z vonka
chránené NI ELVIS ochrannou doskou (protection board). Vstupy NI ELVIS
prototypovej dosky a konektorov NI ELVIS pracovnej stanice riadiaceho panelu sú
spojené na ochrannej doske a priamo odovzdané NI ELVIS matičnej doske
(motherboard). Na NI ELVIS matičnej doske sú napätia HI a LO (vstupné terminály)
oddelené 500 kΩ vstupným rezistorom. Ručné nastavenie môžem urobiť v bloku pre
súhlasné potlačenie (Common - Mode Rejection Adjustment). Nastavené súhlasné
potlačenie je typicky nad 80 dB. Operačný zosilňovač používaný v NI ELVIS je úplne
diferenciálny JFET so ziskom 0.5. Vstupná rýchlosť vzorkovania je typicky 11 V/ /µs.
Táto vysoká rýchlosť vzorkovania pomáha minimalizovať AC skreslenie signálu. DAQ
hardvér sníma merané napätie kanálov AI 7 až AI 15 a konvertuje hrubé napätia do
napäťového čítača, kde sú zobrazené v NI ELVIS softvéri. [5]
Technické parametre DMM
Meranie odporu
Presnosť 1 %
Rozsah 5 Ω–3 MΩ, v štyroch rozsahoch
Testovacia frekvencia 120 Hz, softvérový výber
Testovacie napätie 1 V (p-p) sínusová vlna, softvérový výber
Meranie napätia
AC
Presnosť 0,3 % ±0,001 % najvyššieho stupňa
(od 100 Hz do 10 kHz)
Rozsah ±14 V (RMS) v štyroch rozsahoch, max
DC
Presnosť 0,3 % ±0,001 % najvyššieho stupňa, max
Rozsah ±20 V v štyroch rozsahoch, max
Vstupná impedancia 1 MΩ
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 30
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 4.2 NI ELVIS Softvér
NI ELVIS softvér je vytvorený vo vývojovom prostredí LabVIEW. Softvér
môžem rozdeliť do dvoch oblastí:
• SFP (soft front panel) prístroje
• programovanie NI ELVIS systému:
- použitím NI – DAQmx
- použitím NI ELVIS LabVIEW API (aplikačné programovacie rozhranie) [5]
4.2.1 SFP prístroje
SFP prístroje sú virtuálne prístroje (VI), ktoré sa používajú v typických
laboratórnych aplikáciách a sú založené na programe LabVIEW. Virtuálne prístroje
môžem prispôsobiť svojim požiadavkám modifikovaním LabVIEW kódu.
Instrument Launcher (Prístrojový spúšťač)
Instrument Launcher obr. 4.7 poskytuje prístup k NI ELVIS softvérovým
prístrojom. Spustenie prístroja sa realizuje kliknutím na tlačidlo požadovaného prístroja.
Obr. 4.7 Instrument Launcher
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 31
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Ak NI ELVIS softvér je správne konfigurovaný a pracovná stanica je prepojená k
vhodnému DAQ hardvéru, všetky tlačidlá musia byť k dispozícií. Ak je problém
s nastavením napr. NI ELVIS pracovná stanica je neaktívna alebo odpojená od DAQ
hardvéru, všetky prístrojové tlačidlá sú stlmené a jediná dosiahnuteľná voľba je kliknutie
na konfiguračné tlačidlo (configure). Niektoré prístroje uskutočňujú podobné operácie
používaním tých istých zdrojov NI ELVIS a DAQ hardvéru. Ak spustím dva prístroje s
prekrývaním závislostí, ktoré nemôžu bežať súčasne, NI ELVIS softvér hlási chybový
dialóg popisujúci spor. Prístroj s chybou je zablokovaný, pokiaľ chyba nie je nájdená a
odstránená. Pretože som pri mojich meraniach nepoužíval všetky NI ELVIS softvérové
prístroje, popísal som nepoužité prístroje len stručne. Úplný prehľad NI ELVIS
softvérových prístrojov je v literatúre.
Arbitrary Waveform Generator ARB (Generátor ľubovoľne tvarovaného priebehu)
Tento SFP prístroj používa AO vlastnosti NI ELVIS hardvéru (DAC0 a DAC1).
Môžem vytvoriť množstvo signálových typov použitím softvérového krivkového editoru,
ktorý je súčasťou NI ELVIS softvéru. Vytvorené krivky NI editorom môžem ukladať do
ARB SFP. Pretože typický DAQ hardvér má dva AO kanály, môžem generovať súčasne
dve krivky. Môžem si vybrať trvalý alebo jednorazový výstup. Maximálne výstupné
vlastnosti NI ELVIS - ARB SFP sú zaistené maximálnou rýchlosťou DAQ hardvéru
pripojeného k NI ELVIS hardvéru.
Bode Analyzer (Analyzátor frekvenčných charakteristík)
Plná funkčnosť Bode Analyzeru obr. 4.8 je k dispozícii kombinovaním
frekvenčného rozmetania funkčným generátorom a AI vlastnosťami DAQ hardvéru.
Môžem nastaviť frekvenčný rozsah prístroja od 0 Hz do 35 kHz a vybrať si medzi
lineárnym a dB zobrazením. Frekvenčný rozsah je dosť malý, preto sa tento nedostatok
prejaví pri meraní frekvenčných charakteristík, ktorých frekvencia je vyššia ako 35 kHz.
Napäťový rozsah prístroja je od 0 V do 2,5 V. Je možné voliť počet krokov merania na
dekádu. Namerané hodnoty merania môžem uložiť (Log) do textového súboru. Prístroj
zobrazuje amplitúdovú a fázovú frekvenčnú charakteristiku. Piny na pripojenie prístroja
ACH0+, ACH0-, ACH1+ a ACH1- sa nachádzajú na AI signálovej rade NI ELVIS
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 32
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– prototypovej dosky. Bode Analyzer využíva FGEN a preto musí byť výstupný pin
funkčného generátora FUNC_OUT pripojený na vstupný pin ACH1+ alebo ACH1-. Na
pin ACH0+ alebo ACH0- je pripojený signál meraného zapojenia.
Obr. 4.8 Virtuálny prístroj Bode Analyzer
Digital Bus Reader (Digitálny zbernicový čítač)
Tento prístroj číta digitálne dáta z NI ELVIS digitálneho vstupu (DI) zbernice.
Môžem čítať zo zbernice spojito alebo čítať jednotlivo.
Digital Bus Writer (Digitálny zbernicový zapisovač)
Prístroj obsluhuje NI ELVIS digitálny výstup (DO) zbernice. Môžem ručne tvoriť
vzory alebo vybrať preddefinované možnosti sklonu, prepínania alebo zapisovania.
Taktiež môžem zapisovať do zbernice spojito alebo samostatne. Výstupné napäťové
hodnoty SFP sú TTL kompatibilné.
Digital Multimeter DMM (Digitálny multimeter)
Na virtuálnom prístroji DMM obr. 4.9 môžem uskutočniť meranie napätia (AC,
DC), prúdu (AC, DC), odporu, kapacity, indukčnosti, testu diódy a akustickej spojitosti.
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 33
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Obr. 4.9 Virtuálny prístroj Digital Multimeter DMM
Rozsah prístroja môžem nastaviť pevne alebo automaticky (Auto), pri ktorom si prístroj
nastaví vhodný rozsah sám. Pred každým meraním treba prístroj vynulovať (Null), aby sa
predišlo zbytočným odchýlkam. Maximálne hodnoty, ktoré dokáže prístroj odmerať sú
pre jednotlivé veličiny popísané v literatúre. Vstupy prístroja sú dostupné na kontrolnom
paneli NI ELVIS pracovnej stanice, označené ako DMM alebo na pinoch DMM radu NI
ELVIS prototypovej dosky. Vstupné piny voltmetra sú označené VOLTAGE HI a
VOLTAGE LO. Ostané funkcie DMM sú k dispozícii cez piny CURRENT HI a
CURRENT LO. Trojdrôtový pin 3-WIRE je použitý pre meranie súčiastok s troma
vývodmi v spojení s CURRENT HI a CURRENT LO pinmi.
Dynamic Signal Analyzer DSA (Analyzátor dynamických signálov)
Prístroj je obzvlášť užitočný pri pokročilom meraní. Prístroj používa analógový
vstup DAQ hardvéru na vytvorenie meraní. Môžem urobiť spojité merania alebo
samostatné skenovania, a taktiež na signál aplikovať rôzne oknové a filtračné voľby.
Function Generator FGEN (Funkčný generátor)
Prístroj FGEN obr. 4.10 poskytuje pre zvolený typ signálu nastavenie výstupnej
krivky (sínus, obdĺžnik alebo trojuholník), amplitúdy a frekvencie. Prístroj ďalej ponúka
nastavenie DC offsetu, frekvenčného rozmetania, amplitúdovej a frekvenčnej modulácie.
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 34
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Napäťový rozsah generátora je od 0 V do 2,5 V. Frekvenčné nastavenie je v piatich
rozsahoch (maximálna frekvencia 500 KHz). Výstupný pin funkčného generátora je
označený ako FUNC_OUT a nachádza sa na NI ELVIS prototypovej doske označenej
ako rad Function Generator.
Obr. 4.10 Virtuálny prístroj Function Generator FGEN
Impedance Analyzer (Inpedančný analyzátor)
Tento prístroj je schopný merať odpor a reaktanciu dvojdrôtovej pasívnej
súčiastky pri danej frekvencii.
Oscilloscope Scope (Osciloskop)
Prístroj Oscilloscope obr. 4.11 poskytuje vlastnosti štandardného osciloskopu,
ktorý nájdeme v typickom univerzitnom laboratóriu. NI ELVIS - Scope SFP má dva
kanály (kanál A a kanál B) a poskytuje možnosti nastavenia škálovania, polohy a
prispôsobenia časovej základne. Časovú základňu je možné meniť v rozsahu od 5 µs do
200 ms. Rozsah meraného napätia na oboch kanáloch je do ± 10 V. Napäťový rozsah je
dosť malý. Preto sa tento nedostatok prejaví pri meraní vyšších napätí. Môžem
zobrazovať obidva signály súčasne a vybrať zdroje a metódu merania. Automatické
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 35
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– nastavenie rozsahu dovoľuje nastaviť napäťové zobrazenie v mierke založenej na napätí
špička – špička AC signálu s úmyslom najlepšej ukážky signálu. Vstupy prístroja sú
dostupné z pinov Osciloscope radu CH <A..B>+, CH <A..B>– a TRIGGER na NI ELVIS
prototypovej doske alebo z BNC konektorov na kontrolnom paneli NI ELVIS pracovnej
stanice označených ako Scope. Rýchlosť vzorkovania osciloskopu je zaistená
maximálnou rýchlosťou vzorkovania DAQ hardvéru inštalovaného do počítača
napojeného na NI ELVIS hardvér.
Obr. 4.11 Virtuálny prístroj Oscilloscope Scope
Two and Three - Wire Current - Voltage Analyzers (Dvoj a troj - parametrový volt -
ampérový analyzátor)
Tieto prístroje umožňujú diódové a tranzistorové parametrické testovanie a
dovoľujú merať prúdovo - napäťové krivky. Dvojdrôtový prístroj ponúka nastavenie
parametrov napäťového a prúdového rozsahu. Namerané hodnoty môžem uložiť
(pomocou tlačidla Log) do textového súboru. Naviac, trojdrôtový prístroj ponúka
nastavenie bázového prúdu pre meranie NPN tranzistorov.
Variable Power Supplies (Premenlivý napájací zdroj)
Na prístroji Variable Power Supplies obr. 4.12 môžem ovládať výstupné kladné
alebo záporné premenlivé napätie. Záporné výstupné napájanie môžem nastaviť v rozsahu
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 36
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– –12 V až 0 V a kladné výstupné napájanie v rozsahu 0 V až +12 V. Piny na pripojenie
prístroja SUPPLY+ a SUPPLY- sa nachádzajú v rade Variable Power Supplies na NI
ELVIS prototypovej doske [5]
Obr. 4.12 Virtuálny prístroj Variable Power Supplies
4.2.2 Programovanie NI ELVIS systému
Programovanie NI ELVIS systému použitím NI - DAQmx
Analógový vstup
Na NI ELVIS meranie môžem použiť šesť diferenciálnych AI kanálov:
ACH<0..5>. ACH3 a ACH4 sú použité pre osciloskop meranie na CH A i CH B. DAQ
zariadenie musím konfigurovať pre AI módy pred vytvorením spojenia s NI ELVIS
pracovnou stanicou. ACH<0..5> na NI ELVIS prototypovej doske sú priamo pripojené k
príslušným AI kanálom na DAQ hardvér. ACH<0..5> môžem použiť ako normálne
vstupné kanály pre existujúce DAQ príklady aplikácií, alebo ich môžem použiť pre
programovanie vlastných virtuálnych prístrojov VI vo vývojovom prostredí LabVIEW.
ACH5 je tiež používaný pre meranie na NI ELVIS softvérových prístrojoch ako
osciloskop, DMM, DSA, impedančný analyzátor a dvoj a troj - parametrový volt -
ampérový analyzátor. ACH5 môže byť nedostupný ak tieto softvérové prístroje sú
aktívne.
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 37
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Analógový výstup
NI ELVIS umožňuje prístup k dvom analógovým výstupom DAQ hardvéru cez
piny na NI ELVIS prototypovej doske. AO signály označené ako DAC0 a DAC1 sú
pripojené k spojeniam rovnakého názvu na DAQ hardvér. Tieto môžem použiť ako
normálne výstupné kanály pre existujúce DAQ príklady aplikácií, alebo ich môžem
použiť pre programovanie vlastných virtuálnych prístrojov VI vo vývojov prostredí
LabVIEW. Výstupné kanály sú tiež používané pre NI ELVIS SFP prístroje ako FGEN,
DMM, impedančný analyzátor, dvoj a troj - parametrový volt - ampérový analyzátor.
Výstupný kanál môže byť nedostupný ak tieto SFP prístroje sú aktívne. Medzi typickú
AO aplikáciu môžem zahrnúť spojité generovanie kriviek.
Časovanie a riadenie I/O
NI ELVIS poskytuje prístup k dvom počítadlám/časovačom DAQ hardvéru.
Tabuľka tab. 4.1 popisuje ako signál NI ELVIS počítadla koreluje s DAQ časovacím
signálom. CTR0 a CTR1 môžem použiť ako normálne počítadlo/časovač pre existujúce
DAQ príklady aplikácií alebo ich môžem použiť pre naprogramovanie vlastných
virtuálnych prístrojov. Počítadlá/časovače sú tiež používané NI ELVIS - FGEN SFP.
Počítadlá/časovače môžu byť nedostupné ak NI ELVIS - FGEN SFP je aktívny.
Tab. 4.1 Signálová korelácia
NI ELVIS DAQ hardware
CTR<0..1>_SOURCE GPCTR<0..1>_SOURCE
CTR<0..1>_GATE GPCTR<0..1>_GATE
CTR<0..1>_OUT GPCTR<0..1>_OUT
Programovanie NI ELVIS systému použitím NI ELVIS LabVIEW API
Prístrojový driver je súbor softvérových programov, ktoré riadia programovateľný
prístroj. Každý program odpovedá na programovú operáciu (konfigurácia, čítanie z,
písanie do a spúšťanie prístroja). Prístrojový driver zjednodušuje prístrojové riadenie,
vylučujúc potrebu učiť sa programovacie protokoly virtuálneho prístroja. NI ELVIS
prístrojový driver je súbor LabVIEW VI, ktoré poskytujú API (aplikačné programovacie
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 38
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– rozhranie) pre ovládanie NI ELVIS hardvéru. API dovoľuje používateľovi spájať VI
v logickom spôsobe pre riadenie hardvérovej funkčnosti NI ELVIS pracovnej stanice -
premenlivý napájací zdroj, funkčný generátor, DMM a DIO sústava obvodov.
Univerzálna programovacia postupnosť pri použití NI ELVIS prístrojového driveru je:
inicializácia - akcia - koniec. Inicializačné VI vybuduje komunikáciu s NI ELVIS
pracovnou stanicou a nakonfiguruje vybrané komponenty do definovaného stavu. Odkaz
(refnum) k špecifickému komponentu je vytvorený a potom použitý ďalším VI pre
vykonanie požadovanej akcie. Prístrojový driver spracováva súčasne využívané zdroje,
ktoré nastávajú medzi komponentmi NI ELVIS. Napríklad DMM používa funkčný
generátor pre svoje meranie. Bez riadenia zdrojov, ak použijem aplikáciu funkčný
generátor, ktorý je aktívny keď DMM aplikácia beží, jedna alebo obidve aplikácie môžu
vrátiť nesprávne výsledky. Na zabránenie tohto problému driver detekuje, že zdroj sa
používa a vráti chybu. Riadenie zdrojov platí len vo vnútri jedného LabVIEW procesu.
Preto, ak zhotovená aplikácia používa NI ELVIS prístrojový driver a je aktívna v
rovnakom čase ako iné aplikácie požívajúce prístrojový driver, riadenie zdrojov nie je
účinné cez procesy a môže nastať nesprávny stav. Pre zabezpečenie správnej činnosti
programov, ktoré používajú NI ELVIS prístrojový driver, musím pred spustením
aplikácie ukončiť SFP prístroje. Ako príklad jednoduchej aplikácie programovanej vo
vývojovom prostredí LabVIEW s použitím NI ELVIS LabVIEW API som uviedol
premenlivý napájací zdroj obr. 4.13.
Obr. 4.13 Aplikácia premenlivého napájacieho zdroja
NI ELVIS pracovná stanica má dve premenlivé napájania, ktoré môžem riadiť použitím
NI ELVIS prístrojových driverov. Driver dovoľuje používateľovi adresovať, ktorý zdroj
riadim a dovoľuje nastaviť jeho výstupné napätie. Riadenie zdroja je vybrané v priebehu
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 39
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– inicializácie a potom aktualizované spojito v slučke. Keď slučka skončí, zdrojový odkaz
je zatvorený a výstup je nastavený na nule. DAQ číslo hardvéru je poskytnuté na zaistenie
prepojenia DAQ hardvéru a NI ELVIS pracovnej stanice. [5]
4.3 DAQ hardware
Pre správnu a úplnú činnosť virtuálneho prístroja je nutné doplniť otvorenú
architektúru personálneho počítača hardwarom, ktorý umožní virtuálnemu prístroju plniť
funkciu meracieho prístroja. V oblasti hardvéru je to zásuvná multifunkčná karta (DAQ
hardvér) vybavená konektorom pre zasunutie karty do základnej dosky personálneho
počítača (ISA, EISA, PCI). Meracia karta má viacero vstupov a výstupov, na ktoré je
možné pripojiť signály rôzneho charakteru. DAQ hardvér získava elektrický signál od
prevodníka alebo senzora, ktorý premieňa fyzický fenomén na elektrický a môže taktiež
súčasne produkovať elektrický signál. DAQ hardvér má štyri štandardné elementy:
• analógový vstup (AI)
• analógový výstup (AO)
• digitálny I/O (DIO)
• počítadlo/časovač
Meracie karty sú obmedzené v niektorých parametroch ako dosiahnuteľná vzorkovacia
frekvencia, pri súčasnom snímaní hodnôt z viacerých kanálov alebo vo veľkosti
maximálnych napätí a prúdov. Tieto obmedzenia meraní sú u zásuvných multifunkčných
kariet dané predovšetkým použitou architektúrou A/D prevodníka, šírkou a časovaním
zbernice medzi kartou a počítačom a samotným vyhotovením karty. Pri výbere vhodnej
karty musím brať do úvahy parametre meraní, ktoré chcem na danej karte realizovať. [5]
4.3.1 DAQ hardware v NI ELVIS systéme
NI ELVIS systém je navrhnutý na spoločnú činnosť s NI DAQ hardvérom, ktorý
je výkonný, A/D multifunkčný a I/O časovací pre PCI zbernicové počítače. Systém
podporuje funkcie DAQ hardvéru, ktoré zahŕňajú AI, AO, DIO a TIO. Na používanie NI
ELVIS systému musím mať DAQ hardvér inštalovaný v počítači a pripojený k NI ELVIS
hardvéru s nasledovnými minimálnymi požiadavkami:
• 16 AI kanálov, minimálna rýchlosť vzorkovania 200 kS/s
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 40
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
• dva AO kanály
• osem DIO liniek
• dve počítadlá/časovače
V NI ELVIS systéme pre meranie charakteristík OZ som použil DAQ hardvér typu NI
6221 série M. [5]
4.3.2 DAQ hardvér NI PCI 6221
Pri meraní charakteristík OZ som sa zaoberal analógovou časťou DAQ hardvéru.
Celková špecifikácia DAQ hardvéru NI PCI 6221 je popísaná v literatúre [6]. Popis pi-
nov meracej karty a analógová špecifikácia DAQ hardvéru NI PCI 6221 je v prílohe č. 2.
4.4 Prepojenie signálov medzi NI ELVIS systémom a DAQ hardvérom
Pretože analógové kanály sú diferenciálne, musím vytvoriť zemný bod (ground)
niekde v signálovej ceste. Pokiaľ meranie je vzťažné k NI ELVIS GROUND pinom,
meranie je správne. Vývody NI ELVIS GROUND signálu sú umiestnené na viacerých
miestach NI ELVIS prototypovej dosky a sú navzájom prepojené. Pri meraní
charakteristík OZ som sa zaoberal analógovou časťou prepojenia. Celkové prepojenie
signálov medzi NI ELVIS a DAQ hardvérom popisuje literatúra [5].
Analógové prepojenie vstupných signálov
NI ELVIS prototypová doska má šesť diferenciálnych AI kanálov ACH<0..5>.
Tieto vstupy sú priamo pripojené k vstupným kanálom DAQ hardvéru. NI ELVIS tiež má
dva zemné piny, AISENSE a AIGND, ktoré sú pripojené k DAQ hardvéru. Analógové
prepojenie vstupných signálov je v tab. 4.2. Niektoré AI kanály sú používané vnútornou
sústavou obvodov pre ďalšie prístroje , ale väčšinu času kanál môže byť stále používaný.
ACH<0..2> môže byť použitý bez prerušenia. Ak použijem DMM ako merač kapacity
alebo na iné meranie, ACH5 je prerušený. Ak používam osciloskop, musím rozpojiť
spojenia na ACH3 a ACH4 na vyvarovanie sa dvojitého snímania kanálu. Vstupy
osciloskopu sú dostupné na NI ELVIS prototypovej doske ako terminály CH <A..B>+,
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 41
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– CH <A..B>– a TRIGGER. CH <A..B> sú priamo pripojené k ACH3 a ACH4, každý
zvlášť na DAQ hardvér.
Tab. 4.2 Analógové prepojenie vstupných signálov
NI ELVIS - vstupný kanál DAQ hardvér - vstupný kanál
ACH0+ AI 0
ACH0- AI 8
ACH1+ AI 1
ACH1- AI 9
ACH2+ AI 2
ACH2- AI 10
ACH3+ AI 3
ACH3- AI 11
ACH4+ AI 4
ACH4- AI 12
ACH5+ AI 5
ACH5- AI 13
AISENSE AISENSE
AIGND AIGND
Analógové prepojenie výstupných signálov
NI ELVIS poskytuje prístup k dvom DAC výstupom DAQ hardvéru na
termináloch DAC0 a DAC1. Kanály sú používané NI ELVIS hardvérom pre generovanie
ľubovoľných tvarov kriviek. Ostatné funkcie NI ELVIS hardvéru ako DMM a FGEN,
vnútorne používajú DAC0 a DAC1 terminály. Tieto funkcie môžu vzájomne rušiť
meranie. Riadiaci softvér generuje chybové hlásenia, keď vznikne potenciálny zdroj
konfliktu. Prístup k funkčnému generátoru na NI ELVIS prototypovej doske je dostupný
aj z niekoľkých ďalších terminálov mimo výstupného terminálu funkčného generátora
FUNC_OUT. Patrí medzi ne SYNC_OUT výstupný signál a TTL - kompatibilný
hodinový signál. [5]
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 42
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 5 Meranie charakteristík operačných zosilňovačov v programe LabVIEW
5.1 Napäťový offset OZ
5.1.1 Teoretický rozbor
Zapojím si operačný zosilňovač, na vstup privediem napätie 0 V. Predpokladám,
že na výstupe operačného zosilňovača bude taktiež 0 V. V skutočnosti tam je nejaké
rušivé výstupné napätie. Spätne môžem nájsť príčinu tejto chyby v mnohých
nesúmernostiach v operačnom zosilňovači, tvorené vnútornými tranzistormi a rezistormi.
Príčinou je teda návrh obvodu, ktorý má celkovú chybu sprevádzanú ako ofsetové napätie
UIO. Vstupné ofsetové napätie môže byť v rozsahu mikrovoltov (µV) až milivoltov (mV)
a môže mať kladnú alebo zápornú polaritu. Ako bude UIO ovplyvňovať náš obvod, to
záleží na samotnom OZ a mojom obvodovom návrhu. [7]
5.1.2 Meranie napäťového offsetu OZ
Pre meranie ofsetového napätia UIO som navrhol neinvertujúce zapojenie
operačného zosilňovača obr. 5.1, pri ktorom môžem jednoduchšie analyzovať UIO v sérií
s kladným vstupom (neinvertujúci vstup). Je to z toho dôvodu, že výsledný obvod ktorý
má na neinvertujúci vstup privedené UIO sa javí práve ako neinvertujúci zosilňovač.
Analýza takéhoto obvodu je jednoduchšia. Pre meranie som použil operačný zosilňovač
LM 741 CN so symetrickým napájaním. Pre overenie UIO som uskutočnil dve merania.
Obr. 5.1 Zapojenie OZ pre meranie napäťového offsetu
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 43
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Prvé meranie:
Pretože merané UIO som porovnával s katalógovými hodnotami pri splnení konkrétnych
parametrov, hodnoty rezistorov RS = 100 Ω a RL = 20 kΩ som navrhol v rozsahoch
uvádzaných výrobcom. Hodnoty rezistorov som zvolil: R1 = 100 Ω, R2 = 100 kΩ.
Navrhnutý obvod som osadil a zapojil na NI ELVIS prototypovej doske. Napájacie
napätie OZ je symetrické UCC = ±15V a je na OZ privedené z pinov ± 15V radu DC
Power Supplies prototypovej dosky. Pre meranie Uout zapojenia som použil virtuálny
prístroj Digital Multimeter (DMM) NI ELVIS softwaru, ktorého piny VOLTAGE HI
a VOLTAGE LO sú vyvedené na rade DMM prototypovej dosky. K meranému zapojeniu
som priviedol zem (ground) a uzemnil všetky požadované vývody. Piny zeme GROUND
sú vyvedené na NI ELVIS prototypovej doske. Virtuálny prístroj som pred spustením
merania nuloval (Null). Po spustení merania som nameral na DMM obr. 5.2 výstupné
napätie Uout = 0,629.
Obr. 5.2 Virtuálny prístroj DMM: Uout = 0,629 V
Výpočet napäťového ofsetu:
Pri výpočte napäťového ofsetu som vychádzal z neinvertujúceho zapojenia OZ, kde po
odvodení UIO platí:
( )21
1
RRRUU OUT
IO+
=×
(6)
Po dosadení hodnôt:
( ) ( ) mVk
VRRRUU OUT
IO 628,0100100
100629,021
1=
Ω+ΩΩ×
=+
=×
UIO = 0,628 mV
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 44
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Druhé meranie:
Pretože druhé meranie UIO som taktiež porovnával s katalógovými hodnotami pri splnení
konkrétnych parametrov, hodnoty rezistorov RS = 1 kΩ a RL = 20 kΩ som navrhol v
rozsahoch uvádzaných výrobcom. Hodnoty rezistorov som zvolil: R1 = 1 kΩ, R2 = 100
kΩ. Navrhnutý obvod som osadil, zapojil a na meranie Uout použil virtuálne prístroje ako
pri prvom meraní. Po spustení merania som nameral na DMM obr. 5.3 výstupné napätie
Uout = 69,479 mV.
Obr. 5.3 Virtuálny prístroj DMM: Uout = 69,479 mV
Výpočet napäťového ofsetu:
Pri výpočte napäťového ofsetu som vychádzal z neinvertujúceho zapojenia OZ, kde po
odvodení UIO platí (6):
Po dosadení hodnôt:
( ) ( ) mVkk
kmVRRRUU OUT
IO 689,01001
1479,6921
1=
Ω+ΩΩ×
=+
=×
UIO = 0,689 mV
Vyhodnotenie merania UIO
Namerané hodnoty UIO = 0,628 mV a UIO = 0,689 mV operačného zosilňovača
LM 741 CN som porovnal s katalógovými hodnotami výrobcu pri TA = 25 °C, UCC =
±15V a RS ≤ 10 kΩ, kde typická hodnota UIO = 2 mV a maximálna hodnota UIO = 6 mV.
Z nameraných hodnôt vyplýva, že operačný zosilňovač LM 741 CN spĺňa katalógové
hodnoty a so zväčšujúcim sa zosilnením signálu v obvode, zosilňovač bude zvyšovať
chybu UIO spolu zo zosilnením signálu. [8]
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 45
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 5.2 Napäťová symetria OZ
5.2.1 Teoretický rozbor
Neinvertujúce zapojenie operačného zosilňovača obr. 5.4 je súmerné z hľadiska
vstupu i výstupu. Môže pracovať s kladným i záporným signálom, ktorý môže byť
jednosmerný alebo striedavý. Neinvertujúce zapojenie zachováva fázu vstupného napätia
operačného zosilňovača t.j. výstupné napätie oproti vstupnému napätiu nie je fázovo
posunuté. Výstupné napätie má rovnakú polaritu ako vstupné napätie.
Obr. 5.4 Neinvertujúce zapojenie OZ
Vstupné napätie UI vedieme na neinvertujúci vstup operačného zosilňovača. Preto platí:
+ U = Uin (7)
Do invertujúceho vstupu je zavedená časť výstupného napätia Uin cez rezistorový delič
R1, R2. Je to záporná spätná väzba, výstupné napätie pôsobí proti vstupnému. Vlastnosti v
prípade použitia ideálneho OZ určujú rezistory R1 a R2 a platí:
1
21
RRR
UU
Ain
outN
+== (8)
Invertujúce zapojenie operačného zosilňovača obr. 5.5 je súmerné z hľadiska vstupu
i výstupu. Môže pracovať s kladným i záporným signálom, ktorý môže byť jednosmerný
alebo striedavý. Invertujúce zapojenie mení fázu signálu t.j. výstupné napätie je oproti
vstupnému napätiu fázovo posunuté o 180°. Výstupné napätie má opačnú polaritu ako
vstupné napätie.
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 46
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Obr. 5.5 Invertujúce zapojenie OZ
Vstupné napätie Uin vedieme cez rezistor R1 na invertujúci vstup operačného zosilňovača.
Neinvertujúci vstup operačného zosilňovača je pripojený na zemnú svorku. Úbytok
napätia na rezistore R1 rovný priamo napätiu Uin. Záporná spätná väzba je zavedená cez
rezistor R2. Vlastnosti v prípade použitia ideálneho OZ určujú rezistory R1 a R2 a platí:
1
2
RR
UU
Ain
outIN −== (9)
Ak nie je Rg<<R1, potom platí:
gIN RR
RA
+−=
1
2 (10)
R3 pomáha vyrovnávať nesymetriu vstupov OZ a volí sa:
21
213 RR
RRR
+= (11)
Ak R2>>R1, potom platí: R3 = R1 (12)
Pre určité vstupné napätia prestáva zosilňovač zosilňovať, pretože výstupné napätie Uout
nemôže nikdy presiahnuť hodnoty napájacieho napätia UCC (+UCC, -UCC) operačného
zosilňovača. Hovoríme, že výstupné tranzistory OZ sú v saturácií. Preto je maximálne
výstupné napätie určené napätím UCC, ktoré musím zmenšiť o 1 V až 3 V, teda o úbytok
napätí na tranzistoroch v zopnutom stave. Toto maximálne výstupné napätie sa nazýva
rozkmit výstupného napätia Uomax a je vždy definovaný výrobcom pri danom napájacom
napätí UCC a odporovom zaťažení RL. Prevodová charakteristika OZ vyjadruje závislosť
výstupného napätia Uout na vstupnom napätí Uin. Charakteristické pre OZ je, ako vidno
z prevodovej charakteristiky neinverujúceho zapojenia OZ obr. 5.6, že existujú tri
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 47
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– pracovné oblasti. Dve oblasti sú oblasti nasýtenia (saturácie) a tretia je oblasť lineárnej
činnosti OZ. Pri reálnych OZ však musíme priviesť na vstupy zosilňovača napätie Uin,
aby výstupné napätie Uout bolo nulové. Toto napätie nazývame vstupná napäťová
nesymetria (UIO, offset). Niektoré vyrábané OZ majú špeciálne vývody, na ktoré môžem
pripojiť potenciometer a tým nastaviť napäťovú nesymetriu na 0 mV. [1]
Obr. 5.6 Prevodová charakteristika inverujúceho zapojenia OZ
5.2.2 Meranie napäťovej symetrie OZ
Neinvertujúce zapojenie OZ
Pre meranie napäťovej symetrie som navrhol neinvertujúce zapojenie operačného
zosilňovača obr. 5.4. Použil som operačný zosilňovač LM 741 CN so symetrickým
napájaním UCC = ±15V. Hodnoty rezistorov som zvolil R1 = 10 kΩ, R2 = 20 kΩ, RL = 20
kΩ. Navrhnutý obvod som osadil a zapojil na prototypovej doske NI ELVIS hardwaru.
Ako zdroj vstupného napätia Uin som použil virtuálny prístroj Variable Power Supplies
(Premenlivý napájací zdroj) NI ELVIS softwaru, ktorého piny SUPPLY+ a SUPPLY- sú
vyvedené na rade Variable Power Supplies prototypovej dosky. Hodnoty napätí na
virtuálnom prístroji Variable Power Supplies obr. 5.7 som menil v rozsahu, pri ktorom
som zachytil tri pracovné oblasti prevodovej charakteristiky. Pre meranie Uin a Uout som
použil virtuálny prístroj Digital Multimeter (DMM) NI ELVIS softwaru, ktorého piny
VOLTAGE HI a VOLTAGE LO sú vyvedené na rade DMM prototypovej dosky.
Virtuálny prístroj DMM som pred spustením merania nuloval (Null). K meranému
zapojeniu som priviedol zem a uzemnil všetky požadované vývody. Piny zeme GROUND
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 48
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– sú vyvedené na NI ELVIS prototypovej doske. Hodnoty nameraných napätí Uout, Uin na
DMM, tabuľky nameraných hodnôt Uout, Uin a prevodová charakteristika sú v prílohe č. 3.
Obr. 5.7 Nastavenie napätia na virtuálnom prístroji Variable Power Supplies
Invertujúce zapojenie OZ
Pre meranie napäťovej symetrie som navrhol invertujúce zapojenie OZ obr. 4.5.
Použil som operačný zosilňovač LM 741 CN so symetrickým napájaním UCC = ±15V.
Hodnoty rezistorov som zvolil R1 = 10 kΩ, R2 = 20 kΩ, R3 = 10 kΩ, RL = 20 kΩ.
Navrhnutý obvod som osadil, zapojil a na meranie použil virtuálne prístroje ako pri
meraní na neinvertujúcom zapojení OZ. Hodnoty nameraných napätí Uout, Uin na DMM,
tabuľky nameraných hodnôt Uout , Uin a prevodová charakteristika sú v prílohe č. 3.
Vyhodnotenie merania napäťovej symetrie OZ
Z nameraných hodnôt Uout a Uin vyplýva, že obe zapojenia OZ zosilňovali
napäťovo symetricky kladné i záporné vstupné napätia Uin až po maximálne výstupné
napätia, definované ako rozkmit výstupného napätia Uomax. Typická hodnota Uomax
definovaná výrobcom pri napájacom napätí UCC = ± 15V a odporovom zaťažení RL ≥ 10
kΩ je Uomax = ± 14V. Namerané maximálne hodnoty výstupného napätia Uout pre obe
zapojenia OZ spĺňajú katalógové hodnoty len pre zápornú časť Uomax = -14V. Pre kladnú
časť Uomax = +14V boli maximálne hodnoty výstupného napätia Uout pre obe zapojenia
OZ prekročené približne o 0,65V, čo je spôsobené nesymetrickým napájaním OZ. Skutočné hodnoty UCC, namerané na virtuálnom prístroji DMM NI ELVIS softwaru som
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 49
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– uviedol v prílohe č.3. Po zohľadnení všetkých faktorov, ktoré vplývali na meranie
(napäťový offset UIO, nesymetrické napájanie UCC operačného zosilňovača, nepresnosťou
virtuálnych prístrojov NI ELVIS softvéru atď.) môžem konštatovať, že operačný
zosilňovač LM 741 CN spĺňa katalógové hodnoty, pričom bola splnená základná
podmienka, že výstupné napätia Uout neprekročili hodnoty napájacieho napätia UCC. [8]
5.3 Zosilnenie operačného zosilňovača
5.3.1 Teoretický rozbor
Bežné operačné zosilňovače majú zosilnenie Au = 20 000 až 2 000 000. Znamená
to, že pre výstupné napätie Uout = 10 V je medzi kladným a záporným vstupom napätie Ud
= 10 / (20 000 až 2 000 000) = 5µV až 500µV. V praxi to znamená, že rozdielové napätie
Ud považujeme za nulové pre akékoľvek výstupné napätie Uout. Zosilnenie samotného OZ
je možné merať podľa schémy na obr. 5.8. Hodnota UI ∗ je v uvedenom zapojení sto
násobkom napätia UI a pre zosilnenie samotného OZ platí: [9]
*100I
out
I
outOL U
UUUA == (13)
Obr. 5.8 Schéma zapojenia pre meranie zosilnenia OZ
5.3.2 Meranie zosilnenia operačného zosilňovača
Pre meranie zosilnenia operačného zosilňovača som navrhol zapojenie obr. 5.8.
Pre meranie som použil operačný zosilňovač LM 741 CN. Pretože merané zosilnenia
operačného zosilňovača som porovnával s katalógovými hodnotami pri splnení
konkrétnych parametrov, hodnotu rezistora R5 = 3 kΩ som navrhol v rozsahu uvádzanom
výrobcom. Hodnoty rezistorov som zvolil R1 = 100 kΩ, R2 = 100 kΩ, R3 = 99,2 kΩ (91
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 50
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– kΩ + 8,2 kΩ), R4 = 1 kΩ. Navrhnutý obvod som osadil a zapojil na NI ELVIS
prototypovej doske. Napájacie napätie OZ je symetrické UCC = ±15V a je na OZ
privedené z pinov ± 15V radu DC Power Supplies prototypovej dosky. Ako zdroj
vstupného napätia Uin som použil virtuálny prístroj Variable Power Supplies NI ELVIS
softwaru, ktorého piny SUPPLY+ a SUPPLY- sú vyvedené na rade Variable Power
Supplies prototypovej dosky. Pre meranie Uout, UI ∗ a UI som použil virtuálny prístroj
Digital Multimeter (DMM) NI ELVIS softwaru, ktorého piny VOLTAGE HI
a VOLTAGE LO sú vyvedené na rade DMM prototypovej dosky. K meranému zapojeniu
som priviedol zem (ground) a uzemnil všetky požadované vývody. Piny zeme GROUND
sú vyvedené na NI ELVIS prototypovej doske. Virtuálny prístroj DMM som pred
spustením merania nuloval (Null). Hodnotu napätia Uin na virtuálnom prístroji Variable
Power Supplies som nastavil tak, aby napätie Uout = -10 V obr. 5.9.
Obr. 5.9 Virtuálny prístroj DMM: Uout = -10,062 V
Obr. 5.10 Virtuálny prístroj DMM: UI
∗ = 0,064 V
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 51
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Bolo to preto, aby som merané zosilnenie OZ mohol porovnať s katalógovými hodnotami
pri splnení konkrétnych parametrov. Po spustení merania som nameral na virtuálnom
prístroji DMM napätia UI ∗ = 0,064 V obr. 5.10 a UI = 0,638 mV obr. 5.11.
Obr. 5.11 Virtuálny prístroj DMM: UI = 0,638 mV
Výpočet zosilnenia OZ:
Pre napäťový delič (odpory R3 a R4) platí: 4
43*
RRR
UU
I
I += (14)
Po dosadení hodnôt:
1021
12,99
4
43*
=Ω
Ω+Ω=
+=
kkk
RRR
UU
I
I
*102I
out
I
outOL U
UUUA ==
16,15771638,0
062,10===
mVV
UUA
I
outOL
313,16036064,0062,10102102 * ===
VV
UUA
I
outOL
Vyhodnotenie merania zosilnenia operačného zosilňovača
Namerané hodnoty AOL = 15771,16 a AOL = 16036,313 operačného zosilňovača
LM 741 CN som porovnal s katalógovými hodnotami výrobcu pri UCC = ±15V, RL ≥ 2
kΩ a Uout = ±10V , kde manimálna hodnota AOL = 15000. Z nameraných hodnôt vyplýva,
že operačný zosilňovač LM 741 CN spĺňa minimálne hodnoty AOL. [8]
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 52
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 5.4 Napäťové zosilnenie OZ pri sínusovom a obdĺžnikovom signáli
5.4.1 Teoretický rozbor
Funkcia neinvertujúceho vstupu je vysvetlená na obr. 5.12. Napätie U- na
invertujúcom vstupe je konštantné, napätie U+ na neinvertujúcom vstupe sa mení. Rast
napätia na kladnom vstupe odpovedá rastu napätia na výstupe. Vstupné a výstupné
napätia sú vo fáze, výstup neobracia fázu napätia.
Obr. 5.12 Funkcia a) neinvertujúceho vstupu b) invertujúceho vstupu
Funkcia invertujúceho vstupu je znázornená na obr. 5.12. Napätie U+ na neinvertujúcom
vstupe je konštantné, napätie U- na invertujúcom vstupe sa mení. Rast napätia na
invertujúcom vstupe zodpovedá poklesu napätia na výstupe. Vstupné a výstupné napätia
majú opačnú fázu, vstup obracia (invertuje) fázu .Pre rozdielové napätie Ud platí (1). Pre
napäťové zosilnenie OZ platí:
in
out
d
outu U
UUUA == (15)
Pre vyjadrenie zosilnenia v dB platí:
uudB AA log20∗= (16)
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 53
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Časová odozva napätia na výstupe OZ obr. 5.13 je závislá na veľkosti kapacity
korekčného kapacitora Ck.. Kapacitor zamedzuje nežiaducemu kmitaniu, teda
zabezpečuje frekvenčnú stabilitu OZ. Kapacitor býva obyčajne súčasťou integrovaného
obvodu. S rastúcou hodnotou Ck sa však kapacitor dlhšie nabíja, čím sa zmenšuje tzv.
rýchlosť nábehu výstupného napätia. Korekčný kapacitor spôsobuje aj obmedzenie
zosilnenia OZ pri vysokých frekvenciách. U moderných OZ sa hodnoty Ck pohybujú
v rozmedzí 3 až 30 pF. [2]
Obr. 5.13 Časová odozva napätia na výstupe OZ
5.4.2 Meranie napäťového zosilnenia OZ pri sínusovom a obdĺžnikovom signáli
Neinvertujúce zapojenie OZ
Pre meranie napäťového zosilnenia som navrhol neinvertujúce zapojenie
operačného zosilňovača obr. 5.14. Použil som operačný zosilňovač LM 741 CN so
symetrickým napájaním. Hodnoty rezistorov som zvolil R1 = 1 kΩ, R2 = 3 kΩ a RL = 20
kΩ. Hodnoty rezistorov som nevolil náhodne, ale vychádzali z obmedzení napäťového
rozsahu ±10V virtuálneho prístroja Osciloscope NI ELVIS softwaru. Pre výpočet
napäťového zosilnenia neinvertujúceho zapojenie OZ AN platí vzťah (8).
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 54
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Po dosadení hodnôt:
41
31
1
21 =Ω
Ω+Ω=
+=
kkk
RRRAN
dBAA ININdB 041,124log20log20 =×=×=
Obr. 5.14 Neinvertujúce zapojenie OZ
Navrhnutý obvod som osadil a zapojil na prototypovej doske NI ELVIS hardwaru. Ako
generátor vstupného napätia uin som použil virtuálny prístroj Function generator FGEN
NI ELVIS softwaru, ktorého pin FUNC_OUT je vyvedený na rade Function Generator NI
ELVIS prototypovej dosky. Pre meranie napätí uout a uin som použil virtuálny prístroj
Oscilloscope NI ELVIS softwaru. Použil som oba kanály, ktoré nám osciloskop
poskytuje. Na zobrazenie vstupného signálu uin som použil kanál A osciloskopu, kde som
na pin CH A+ (rad Osciloscope NI ELVIS prototypovej dosky) priviedol vstupný signál
uin z pinu FUNC_OUT. Výstupný signál uout som priviedol na pin CH B+ (rad
Osciloscope NI ELVIS prototypovej dosky) a signál som zobrazil na kanály
B osciloskopu. K meranému zapojeniu som priviedol zem (ground) a uzemnil všetky
požadované vývody, vrátane pinov CH A- a CH B- osciloskopu. Piny zeme GROUND
sú vyvedené na NI ELVIS prototypovej doske.
Napäťové zosilnenie pri sínusovom signáli:
Hodnoty napätia na virtuálnom prístroji FGEN pre sínusový signál som menil v rozsahu
0,25 V až 2 V s krokom 0,25 V pri frekvencií 1 kHz. Ukážka nastavenej hodnoty
striedavého napätia sínusového tvaru s amplitúdou 1V a frekvenciou 1 kHz na virtuálnom
prístroji FGEN ako aj hodnoty nameraných priebehov napätí uout a uin na virtuálnom
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 55
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– prístroji Oscilloscope sú v prílohe č. 4. Namerané hodnoty Uin (špička - špička), Uout
(špička - špička) a vypočítané hodnoty napäťového zosilnenia Au sú v tab. 5.1.
Výpočet napäťového zosilnenia:
Pre výpočet napäťového zosilnenia Au platí vzťah (15).
Po dosadení hodnôt:
98,3984,1896,7
===VV
UUA
in
outu
dBAA uudB 997,1198,3log20log20 =×=×=
Tab. 5.1 Namerané hodnoty Uin, Uout a vypočítané hodnoty Au (sínusový signál)
Uin (V) 0,506 0,991 1,496 1,984 2,486 2,974 3,478 3,999
Uout (V) 2,008 3,921 5,918 7,896 9,828 11,867 13,891 15,797
Au 3,968 3,957 3,956 3,980 3,953 3,990 3,994 3,950
Au (dB) 11,972 11,946 11,945 11,997 11,939 12,020 12,028 11,932
Napäťové zosilnenie pri obdĺžnikovom signáli:
Hodnoty napätia na virtuálnom prístroji FGEN pre obdĺžnikový signál som menil
v rozsahu 0,25V až 2V s krokom 0,25V pri frekvencií 1 kHz. Ukážka nastavenej hodnoty
striedavého napätia obdĺžnikového tvaru s amplitúdou 1V a frekvenciou 1 kHz na
virtuálnom prístroji FGEN ako aj hodnoty nameraných priebehov napätí uout a uin na
virtuálnom prístroji Oscilloscope sú v prílohe č. 4. Namerané hodnoty Uin (špička -
špička), Uout (špička - špička) a vypočítané hodnoty Au sú v tab. 5.2.
Výpočet napäťového zosilnenia:
Pre výpočet napäťového zosilnenia Au platí vzťah (15).
Po dosadení hodnôt:
017,4054,2250,8
===VV
UUA
in
outu
dBAA uudB 077,12017,4log20log20 =×=×= ;
Tab. 5.2 Namerané hodnoty Uin, Uout a vypočítané hodnoty Au (obdĺžnik. signál)
Uin (V) 0,532 1,063 1,57 2,054 2,562 3,068 3,576 4,083
Uout (V) 2,135 4,265 6,307 8,250 10,289 12,325 14,364 16,399
Au 4,013 4,012 4,017 4,017 4,016 4,017 4,017 4,016
Au (dB) 12,070 12,068 12,078 12,077 12,076 12,079 12,078 12,077
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 56
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Invertujúce zapojenie OZ
Pre meranie napäťového zosilnenia som navrhol invertujúce zapojenie operačného
zosilňovača obr. 5.15. Použil som operačný zosilňovač LM 741 CN so symetrickým
napájaním.
Obr. 5.15 Invertujúce zapojenie OZ
Hodnoty rezistorov som zvolil R1 = 1 kΩ, R2 = 3 kΩ, R3 = 750 Ω a RL = 20 kΩ. R3
pomáha vyrovnávať nesymetriu vstupov OZ a platí vzťah (11).
Po dosadení hodnôt:
Ω=Ω+ΩΩ×Ω
=+
= 7503131
21
213 kk
kkRR
RRR
Hodnoty rezistorov som nevolil náhodne, ale vychádzali z obmedzení napäťového
rozsahu ±10V virtuálneho prístroja Osciloscope NI ELVIS softwaru. Navrhnutý obvod
som osadil, zapojil a na meranie použil virtuálne prístroje ako pri meraní na
neinvertujúcom zapojení OZ. Pre výpočet napäťového zosilnenia invertujúceho zapojenie
OZ AIN platí vzťah (9).
Po dosadení hodnôt:
313
1
2 −=ΩΩ
−=−=kk
RRAIN
dBAA ININdB 542,93log20log20 =×=×=
Napäťové zosilnenie pri sínusovom signáli:
Hodnoty napätia na virtuálnom prístroji FGEN pre sínusový signál som menil v rozsahu
0,25V až 2V s krokom 0,25V pri frekvencií 1 kHz. Ukážka nastavenej hodnoty
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 57
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– striedavého napätia sínusového tvaru s amplitúdou 1V a frekvenciou 1 kHz na virtuálnom
prístroji FGEN ako aj hodnoty nameraných priebehov napätí uout a uin na virtuálnom
prístroji Oscilloscope sú v prílohe č. 4. Namerané hodnoty Uin (špička - špička), Uout
(špička - špička) a vypočítané hodnoty napäťového zosilnenia Au sú v tab. 5.3.
Výpočet napäťového zosilnenia:
Pre výpočet napäťového zosilnenia Au platí vzťah (15). Po dosadení hodnôt:
02,3987,16
===V
VUU
Ain
outu
dBAA uudB 599,902,3log20log20 =×=×=
Tab. 5.3 Namerané hodnoty Uin, Uout a vypočítané hodnoty Au (sínusový signál)
Uin (V) 0,504 1,005 1,492 1,987 2,507 3,032 3,482 3,967
Uout (V) 1,521 3,075 4,490 6,000 7,597 9,007 10,508 11,974
Au 3,018 3,060 3,009 3,020 3,030 2,971 3,018 3,018
Au (dB) 9,594 9,714 9,570 9,599 9,630 9,457 9,594 9,596
Napäťové zosilnenie pri obdĺžnikovom signáli:
Hodnoty napätia na virtuálnom prístroji FGEN pre obdĺžnikový signál som menil
v rozsahu 0,25V až 2V s krokom 0,25V pri frekvencií 1 kHz. Ukážka nastavenej hodnoty
striedavého napätia obdĺžnikového tvaru s amplitúdou 1V a frekvenciou 1 kHz na
virtuálnom prístroji FGEN ako aj hodnoty nameraných priebehov napätí uout a uin na
virtuálnom prístroji Oscilloscope sú v prílohe č. 4. Namerané hodnoty Uin (špička -
špička), Uout (špička - špička) a vypočítané hodnoty Au sú v tab. 5.4.
Výpočet napäťového zosilnenia:
Pre výpočet napäťového zosilnenia Au platí vzťah (15). Po dosadení hodnôt:
016,3045,2168,6
===VV
UUA
in
outu
dBAA uudB 589,9016,3log20log20 =×=×=
Tab. 5.4 Namerané hodnoty Uin, Uout a vypočítané hodnoty Au (obdĺžnik. signál)
Uin (V) 0,521 1,024 1,507 2,045 2,574 3,078 3,589 4,085
Uout (V) 1,574 3,086 4,536 6,168 7,738 9,248 10,758 12,327
Au 3,021 3,014 3,010 3,016 3,006 3,005 2,997 3,018
Au (dB) 9,603 9,582 9,571 9,589 9,560 9,556 9,535 9,593
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 58
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Vyhodnotenie merania napäťového zosilnenia OZ pri sínusovom a obdĺžnikovom
signáli
Z nameraných hodnôt napätí Uin (špička - špička) a Uout (špička - špička) vyplýva,
že z nich vypočítané hodnoty napäťových zosilnení (A udB) pre invertjujúce a
neinvertujúce zapojenia OZ, sa zhodujú s vypočítanými hodnotami zosilnení (pomocou
rezistorov R1 a R2) neinvertujúceho (ANdB) a invertujúceho (AINdB) zapojenia OZ. Malé
nepresnosti mohli byť spôsobené hlavne odlišnými hodnotami navrhnutých a skutočných
rezistorov R1 a R2 pre zapojenia OZ, zväčšením hodnôt Uout (špička - špička) spôsobené
zákmitom a nepresnosťou virtuálnych prístrojov NI ELVIS softvéru.
5.5 Frekvenčná odozva OZ
5.5.1 Teoretický rozbor
Reálny OZ sa správa ako dolnopriepustný filter, zosilňuje jednosmerné napätia a
striedavé napätia s frekvenciami nižšími ako medzná frekvencia. Amplitúdová frekvenčná
charakteristika OZ ( A f( ) bez spätnej väzby, A fS ( ) so spätnou väzbou) je znázornená na
obr. 5.16. Pre frekvenčnú závislosť napäťového zosilnenia platí vzťah:
mff
AfAj1
)( 0
+= , (17)
kde je napäťové zosilnenie jednosmerné (A0 )f → 0 a fm je medzná frekvencia.
|A|dB
10 10 10 10 102 3 4 5 fHz
A f( )A
A f ( )
AS0
0
S
fm
fSm
1
Obr. 5.16 Amplitúdová frekvenčná charakteristika OZ
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 59
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– K poklesu prenosu o 3 dB dochádza pri frekvencií:
Tm fBf .= , (18)
kde B je stupeň spätnej väzby. Pre invertujúce zapojenie OZ platí:
2
1
RRB = (19)
[2]
5.5.2 Meranie frekvenčnej odozvy OZ
Pre meranie frekvenčnej odozvy OZ som navrhol invertujúce zapojenie
operačného zosilňovača obr. 5.15. Použil som operačný zosilňovač LM 741 CN so
symetrickým napájaním. Hodnoty rezistorov som zvolil pre tri merania frekvenčnej
odozvy OZ. Hodnoty rezistorov som nevolil náhodne, ale vychádzali z obmedzení
frekvenčného rozsahu virtuálneho prístroja Bode Analyzer NI ELVIS softvéru, ktorého
frekvenčný rozsah je od 0 Hz do 35 kHz. Hodnoty rezistorov som navrhol pre jednotlivé
merania tak, aby bolo vidno pokles zosilnenia A udB o 3 dB na zobrazenej frekvenčnej
charakteristike OZ.
Prvé meranie:
Pre prvé meranie som zvolil hodnoty rezistorov R1 = 1 kΩ, R2 = 39 kΩ, R3 = 1kΩ, RL =
20 kΩ. R3 pomáha vyrovnávať nesymetriu vstupov OZ a platí, že ak R2>>R1, potom R3 =
R1. Navrhnutý obvod som osadil a zapojil na prototypovej doske NI ELVIS hardvéru. Ako
generátor vstupného signálu uin som použil virtuálny prístroj Function generator FGEN
NI ELVIS softvéru, ktorého pin FUNC_OUT je vyvedený na rade Function Generator NI
ELVIS prototypovej dosky. Na meranie frekvenčnej odozvy som použil virtuálny prístroj
Bode Analyzer NI ELVIS softvéru, ktorého piny ACH0+, ACH0-, ACH1+ a ACH1- sú
vyvedené na rade Analog Input Signals NI ELVIS prototypovej dosky. Bode analyzer
potrebuje k svojej činnosti virtuálny prístroj FGEN, preto som na pin ACH1+ priviedol
vstupný signál uin z pinu FUNC_OUT. Výstupný signál uout som priviedol na pin ACH0+.
K meranému zapojeniu som priviedol zem (ground) a uzemnil všetky požadované
vývody, vrátane pinov ACH0- a ACH1-. Piny zeme GROUND sú vyvedené na NI
ELVIS prototypovej doske. Pred spustením merania som na virtuálnom prístroji Bode
Analyzer nastavil frekvenčný rozsah prístroja od 10 Hz po 35 kHz, hodnotu vstupného
signálu Uin = 0,04V (špičková amplitúda), počet krokov snímania na dekádu 10 a polaritu
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 60
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– signálu normálnu. Frekvenčná odozva invertujúceho zapojenia OZ a frekvenčná odozva s
poklesom zosilnenia o 3 dB sú v prílohe č. 5. Z frekvenčnej odozvy vidno, že zosilnenie
A udB je 31,98 dB (frekvencia 25,12 Hz) a približný pokles zosilnenia A udB o 3 dB (A udB je
28,78 dB) nastal pri frekvencii 25118,86 Hz. Pre výpočet napäťového zosilnenia
invertujúceho zapojenia OZ AIN platí vzťah (9). Po dosadení hodnôt:
391
39
1
2 −=ΩΩ
−=−=kk
RRAIN
dBAA ININdB 821,3139log20log20 =×=×=
Po dosadení katalógovej hodnoty fT = 1MHz a hodnoty rezistorov R1 = 1 kΩ a R2 = 39 kΩ
do stupňa spätnej väzby B do vzťahu (18), dochádza k vypočítanému poklesu prenosu o 3
dB pri frekvencii:
HzMHzk
kfBf Tm 026,256411391. =×
ΩΩ
==
Druhé meranie:
Pre druhé meranie som zvolil hodnoty rezistorov R1 = 1 kΩ, R2 = 100 kΩ, R3 = 1kΩ, RL =
20 kΩ. Navrhnutý obvod som osadil, zapojil a na meranie použil virtuálne prístroje ako
pri prvom meraní frekvenčnej odozvy invertujúceho zapojenia OZ. Frekvenčná odozva
invertujúceho zapojenia OZ a frekvenčná odozva s poklesom zosilnenia o 3 dB sú
v prílohe č. 5. Z frekvenčnej odozvy vidno, že zosilnenie A udB je 39,87 dB (frekvencia
25,12 Hz) a približný pokles zosilnenia A udB o 3 dB (A udB je 36,87 dB) nastal pri
frekvencii 10 kHz. Pre výpočet napäťového zosilnenia invertujúceho zapojenia OZ AIN
platí vzťah (9). Po dosadení hodnôt:
1001
100
1
2 −=ΩΩ
−=−=k
kRRAIN
dBAA ININdB 40100log20log20 =×=×=
Po dosadení katalógovej hodnoty fT = 1MHz a hodnoty rezistorov R1 = 1 kΩ a R2 = 100
kΩ do stupňa spätnej väzby B do vzťahu (18), dochádza k vypočítanému poklesu prenosu
o 3 dB pri frekvencii:
kHzMHzk
kfBf Tm 101100
1. =×ΩΩ
==
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 61
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Tretie meranie:
Pre tretie meranie som zvolil hodnoty rezistorov R1 = 100 Ω, R2 = 20 kΩ, R3 = 100 Ω, RL
= 20 kΩ. Navrhnutý obvod som osadil, zapojil a na meranie použil virtuálne prístroje ako
pri prvom meraní frekvenčnej odozvy invertujúceho zapojenia OZ. Frekvenčná odozva
invertujúceho zapojenia OZ a frekvenčná odozva s poklesom zosilnenia o 3 dB sú
v prílohe č. 5. Z frekvenčnej odozvy vidno, že zosilnenie A udB je 46,15 dB (frekvencia
25,12 Hz) a približný pokles zosilnenia A udB o 3 dB (A udB je 42,81 dB) nastal pri
frekvencii 5011,87 Hz.. Pre výpočet napäťového zosilnenia invertujúceho zapojenia OZ
AIN platí vzťah (9). Po dosadení hodnôt:
20010020
1
2 −=ΩΩ
−=−=k
RRAIN
dBAA ININdB 021,46200log20log20 =×=×=
Po dosadení katalógovej hodnoty fT = 1MHz a hodnoty rezistorov R1 = 100 Ω a R2 = 20
kΩ do stupňa spätnej väzby B do vzťahu (18), dochádza k vypočítanému poklesu prenosu
o 3 dB pri frekvencii:
HzMHzk
fBf Tm 5000120100. =×
ΩΩ
==
Vyhodnotenie meranie frekvenčnej odozvy OZ
Z nameraných frekvenčných odoziev OZ vyplýva, že namerané hodnoty zosilnení
(A udB) pre invertjujúce a neinvertujúce zapojenia OZ, sa zhodujú s vypočítanými
hodnotami zosilnení neinvertujúceho (ANdB) a invertujúceho (AINdB) zapojenia OZ. Taktiež
namerané hodnoty frekvencií fm, pri ktorých nastal pokles zosilnenia A udB o 3 dB sa
zhodujú s vypočítanými hodnotami. Malé nepresnosti mohli byť spôsobené hlavne
odlišnými hodnotami navrhnutých a skutočných rezistorov R1 a R2, nepresným odčítaním
hodnôt z virtuálneho prístroja Bode Analyzer NI ELVIS softvéru (nedal sa presne
nastaviť pokles zosilnenia A udB o 3 dB) a nepresnosť virtuálnych prístrojov NI ELVIS
softvéru.
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 62
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 6 Tolerančná analýza obvodových prvkov a napájacích napätí
Hlavným cieľom tolerančnej analýzy obvodových prvkov a napájacích napätí je
zistiť, nakoľko výrobné rozptyly parametrov jednotlivých súčiastok ovplyvňujú vlastnosti
obvodu. Inými slovami, ako môže nedodržanie menovitých hodnôt jednotlivých
parametrov odkloniť výsledné charakteristiky obvodu od požadovaných charakteristík.
Pre tolerančnú analýzu obvodových prvkov a napájacích napätí som si stanovil toleranciu
v percentách (%). To znamená, že som zisťoval vplyv najhoršej kombinácie obvodových
prvkov a napájacích napätí na výslednú požadovanú charakteristiku, pri dodržaní
percentuálnej tolerancie rozptylu parametrov jednotlivých obvodových prvkov a
napájacích napätí. Tolerančnú analýzu som implementoval do realizovaných simulácií
OZ naprogramovaných v programe LabVIEW. Tieto simulácie sú popísané v
nasledujúcej kapitole. [10]
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 63
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 7 Simulácia operačného zosilňovača v programe LabVIEW
7.1 Simulácia OZ: Napäťový offset OZ
Čelný panel a blokový diagram virtuálneho prístroja Napäťový ofset operačného
zosilňovača.vi sú znázornené v prílohe č. 6. Pri návrhu simulácie som vychádzal z
teoretických poznatkov a katalógových hodnôt, ktoré som prispôsobil možnosti porovnať
simuláciu s implementovanou tolerančnou analýzou k nameraným hodnotám napäťového
offsetu. Simulácia vychádza z neinvertujúceho zapojenia OZ. Čelný panel obsahuje
ovládacie prvky zmeny hodnoty rezistorov spätnej väzby R1 a R2, nastavenia hodnoty
zosilnenia OZ, nastavenia výstupného napätia Uout a percentuálneho stanovenia
tolerančnej analýzy. Čelný panel ďalej obsahuje indikačné prvky výstupného napätia Uout,
napäťového offsetu Uofset, Uoffset max a Uoffset min. Pred alebo po spustení simulácie si
nastavím požadovanú hodnotu rezistorov spätnej väzby, zosilnenia OZ a výstupného
napätia Uout. Po spustení simulácie prebieha výpočet napäťového ofsetu Uoffset. Pretože
som nechcel zanedbať skutočné zosilnenie OZ, výpočet Uoffset som upravil do tvaru:
OL
outoffset
ARR
RR
UU
1
2
1
2
11
1
++
+=
(20)
[2]
OZ s konečným zosilnením vnáša chybu, ktorú popisuje člen OLARR
1
211
++ . Percentuálne
stanovenie tolerančnej analýzy obvodových prvkov a napájacích napätí môžem realizovať
pred alebo po spustení simulácie na ovládacom prvku tolerančnej analýzy predného
panelu. Po nastavení percentuálnej tolerancie rozptylu parametrov obvodových prvkov
(R1 a R2) a výstupného napätia Uout prebieha výpočet najhoršej kombinácie ich
parametrov a jej vplyv na výslednú hodnotu napäťového offsetu. Výsledná minimálna a
maximálna hodnota napäťového ofsetu UIO je zobrazená na indikačných prvkoch Uoffset min
a Uoffset max čelného panelu virtuálneho prístroja.
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 64
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 7.2 Simulácia OZ: Napäťová symetria OZ
7.2.1 Neinvertujúce zapojenie OZ
Čelný panel a blokový diagram virtuálneho prístroja Napäťová
symetria_neinverujúce zapojenie OZ.vi sú znázornené v prílohe č.7. Pri návrhu simulácie
som vychádzal z teoretických poznatkov a katalógových hodnôt, ktoré som prispôsobil
možnosti porovnať simuláciu s implementovanou tolerančnou analýzou k nameraným
hodnotám napäťovej symetrie pri neivertujúcom zapojení OZ. Simulácia vychádza z
neinvertujúceho zapojenia OZ. Čelný panel obsahuje ovládacie prvky zmeny hodnoty
rezistorov spätnej väzby R1 a R2, nastavenia hodnoty zosilnenia OZ, nastavenia
napäťového offsetu Uout, nastavenia vstupného rozsahu napätia Uin a percentuálneho
stanovenia tolerančnej analýzy. Čelný panel ďalej obsahuje indikačné prvky zosilnenia
spätnej väzby, upozornenia na maximálne výstupné napätie operačného zosilňovača
+14oV a -14 V (saturácia) a prevodovej charakteristiky. Pred alebo po spustení simulácie
si nastavím požadovanú hodnotu rezistorov spätnej väzby, zosilnenia OZ, napäťového
offsetu UIO a vstupného rozsahu napätia Uin. Po spustení simulácie prebieha výpočet
výstupneho napätia Uout podľa vzťahu, ktorý je doplnený o skutočné zosilnenie OZ
a platí:
(21)
k hodnota výstupného napätia Uout dosiahne hodnotu ±14 V, indikačný prvok
OL
offsetinout
ARR
RRUU
U
1
2
1
2
11
1
++
+
+=
[2]
A
Upozornenie čelného panelu sa rozsvieti. Prevodová charakteristika je daná závislosťou
výstupného napätia Uout od súčtu vstupného napätia Uin a napäťového ofsetu U offset.
Prevodová charakteristika je zobrazená na indikačnom prvku Prevodová charakteristika
predného panelu virtuálneho prístroja. Percentuálne stanovenie tolerančnej analýzy
obvodových prvkov a napájacích napätí môžem realizovať pred alebo po spustení
simulácie na ovládacom prvku Tolerančná analýza predného panelu. Po nastavení
percentuálnej tolerancie rozptylu parametrov obvodových prvkov (R1 a R2) a vstupného
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 65
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– rozsahu napätia Uin prebieha výpočet najhoršej kombinácie ich parametrov a jej vplyv na
výslednú prevodovú charakteristiku. Výsledná minimálna a maximálna prevodová
charakteristika je zobrazená na indikačnom prvku Prevodová charakteristika čelného
panelu virtuálneho prístroja.
7.2.2 Invertujúce zapojenie OZ
Čelný panel a blokový diagram virtuálneho prístroja Napäťová
symetr
)
[2]
nosti simulácie a tolerančnej analýzy je taký istý, ako popis simulácie
.3 Simulácia OZ: Zosilnenie operačného zosilňovača
Čelný panel a blokový diagram virtuálneho prístroja Zosilnenie operačného
zosilňo
ia_inverujúce zapojenie OZ.vi sú znázornené v prílohe č. 7. Pri návrhu simulácie
som vychádzal z teoretických poznatkov a katalógových hodnôt, ktoré som prispôsobil
možnosti porovnať simuláciu s implementovanou tolerančnou analýzou k nameraným
hodnotám napäťovej symetrie pri invertujúcom zapojení OZ. Simulácia vychádza z
invertujúceho zapojenia OZ. Čelný panel obsahuje také isté ovládacie a indikačné prvky
ako simulácia neinvertujúceho zapojenia OZ. Po spustení simulácie prebieha výpočet
výstupneho napätia Uout podľa vzťahu, ktorý je doplnený o skutočné zosilnenie OZ a
platí:
OL
offsetinout
ARR
RRUU
U
1
2
1
2
11
++
−
+= (22
Ďalší popis funkč
napäťovej symetrie neinvertujúceho zapojenia OZ.
7
vača.vi sú znázornené v prílohe č. 8. Pri návrhu simulácie som vychádzal
z teoretických poznatkov a katalógových hodnôt, ktoré som prispôsobil možnosti
porovnať simuláciu s implementovanou tolerančnou analýzou k nameraným hodnotám
zosilnenia OZ. Simulácia vychádza zo zapojenia OZ (kap). Čelný panel obsahuje
ovládacie prvky nastavenia voľby U1 alebo U1*, nastavenia hodnôt U1 a U1*, nastavenia
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 66
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– výstupného napätia Uout a percentuálneho stanovenia tolerančnej analýzy. Čelný panel
ďalej obsahuje indikačné prvky hodnoty výstupného napätia a upozornenia na maximálne
výstupné napätie operačného zosilňovača +13 V a -13 V (saturácia). Pred alebo po
spustení simulácie si nastavím požadovanú hodnotu výstupného napätia Uout a
požadovanú voľbu zadávania napätí U1 alebo U1*. Po nastavení voľby zadám hodnotu
buď napätia U1 alebo U1*. Po spustení simulácie prebieha výpočet zosilnenia OZ podľa
vzťahu (13). Ak hodnotu výstupného napätia Uout nastavím nad hodnotu ±13 V, indikačný
prvok Upozornenie čelného panelu sa rozsvieti. Zosilnenie OZ je zobrazené na
indikačnom prvku Zosilnenie A (open loop). Percentuálne stanovenie tolerančnej analýzy
obvodových prvkov a napájacích napätí môžem realizovať pred alebo po spustení
simulácie na ovládacom prvku Tolerančná analýza predného panelu. Po nastavení
percentuálnej tolerancie rozptylu parametrov obvodových prvkov (R3 a R4), napätí U1
alebo U1* a výstupného napätia Uout prebieha výpočet najhoršej kombinácie ich
parametrov a jej vplyv na výslednú hodnotu napäťového offsetu. Výsledná minimálna
a maximálna hodnota zosilnenia OZ je zobrazená na indikačných prvkoch Zosilnenie A
min (open loop) a Zosilnenie A max (open loop) čelného panelu virtuálneho prístroja.
7.4 Simulácia OZ: Napäťové zosilnenie OZ pri sínusovom a obdĺžnikovom signáli
.4.1 Neinvertujúce zapojenie OZ
Čelný panel a blokový diagram virtuálneho prístroja Napäťové
zosilne
7
nie_neinvertujúce zapojenie OZ.vi sú znázornené v prílohe č. 9. Pri návrhu
simulácie som vychádzal z teoretických poznatkov a katalógových hodnôt, ktoré som
prispôsobil možnosti porovnať simuláciu s implementovanou tolerančnou analýzou
k nameraným hodnotám napäťového zosilnenia pri sínusovom a obdĺžnikovom signáli
pre neinvertujúce zapojenie OZ. Simulácia vychádza z neinvertujúceho zapojenia OZ.
Čelný panel obsahuje ovládacie prvky zmeny hodnoty rezistorov spätnej väzby R1 a R2,
nastavenia hodnoty zosilnenia OZ, nastavenia tranzitnej frekvencie ft OZ, nastavenie
parametrov vstupného signálu uin (amplitúda, frekvencia, tvar, fáza, reset, frekvencia
vzorkovania) a percentuálneho stanovenia tolerančnej analýzy. Čelný panel ďalej
obsahuje indikačné prvky zosilnenia spätnej väzby, hodnoty vstupného napätia Uin,
hodnoty výstupného napätia Uout, napäťového zosilnenia Au, napäťového zosilnenia Au
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 67
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– v dB, upozornenia na maximálne výstupné napätie operačného zosilňovača +14 V a -14 V
(saturácia) a zobrazenia signálov uin a uout v čase. Pred alebo po spustení simulácie si
nastavím požadovanú hodnotu rezistorov spätnej väzby, zosilnenia OZ, tranzitnej
frekvencie OZ a parametrov vstupného signálu uin. Po spustení simulácie prebieha
výpočet absolútnej hodnoty prenosu neinvertujúceho zapojenia OZ podľa vzťahu:
22
1=A ,
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
T
N
ffB
(23)
kde (24)
[2]
je potom daný vzťahom:
OLARR
RRB
1
2
1
2
11
1
1
++
+=
Výstupný signál uout inNout uAu ∗= (25)
hne hodnotu ±14 V, i dikačný prvok
.4.2 Invertujúce zapojenie OZ
Čelný panel a blokový diagram virtuálneho prístroja Napäťové
zosilne
Ak hodnota výstupného napätia uout dosia n
Upozornenie čelného panelu sa rozsvieti a výstupný signál uout sa začne orezávať. Signáli
uin a uout (zosilnený) sú zobrazené na indikačnom prvku Osciloskop predného panelu
virtuálneho prístroja. Výpočet napäťové zosilnenia prebieha podľa vzťahu (15) a výpočet
zosilnenia v dB podľa vzťahu (16). Hodnoty napäťového zosilnenia sú zobrazené na
indikačných prvkoch Napäťové zosilnenie. Percentuálne stanovenie tolerančnej analýzy
obvodových prvkov a napájacích napätí môžem realizovať pred alebo po spustení
simulácie na ovládacom prvku Tolerančná analýza. Po nastavení percentuálnej tolerancie
rozptylu parametrov obvodových prvkov (R1 a R2), vstupného signálu uin a napájacích
napätí UCC prebieha výpočet najhoršej kombinácie ich parametrov a jej vplyv na výsledný
signál uout. Všetky minimálne a maximálne hodnoty napäťového zosilnenia a Uout sú
zobrazené na indikačných prvkoch. Výsledný minimálny a maximálny signál uout je
zobrazený na indikačnom prvku Osciloskop čelného panelu virtuálneho prístroja.
7
nie_invertujúce zapojenie OZ.vi sú znázornené v prílohe č. 9. Pri návrhu simulácie
som vychádzal z teoretických poznatkov a katalógových hodnôt, ktoré som prispôsobil
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 68
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– možnosti porovnať simuláciu s implementovanou tolerančnou analýzou k nameraným
hodnotám napäťového zosilnenia pri sínusovom a obdĺžnikovom signáli pre invertujúce
zapojenie OZ. Simulácia vychádza z invertujúceho zapojenia OZ. Čelný panel obsahuje
také isté ovládacie a indikačné prvky ako simulácia neinvertujúceho zapojenia OZ. Po
spustení simulácie prebieha výpočet absolútnej hodnoty prenosu invertujúceho zapojenia
OZ podľa vzťahu:
22
1=A
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
T
IN
ffB
, (26)
kde
(27)
Výstupný signál uout j
leran ako popis simu vého zosilnenia
odozva OZ
diagram virtuálneho prístroja Frekvenčná
dozva_neinvertujúce zapojenie OZ.vi sú znázornené v prílohe č. 10. Pri návrhu
simulác
OLARR
RRB
1
2
1
2
11
1
++
−=
[2]
e potom daný vzťahom (25). Ďalší popis funkčnosti simulácie a
to čnej analýzy je taký istý, lácie napäťo
neinvertujúceho zapojenia OZ.
7.5 Simulácia OZ: Frekvenčná
7.5.1 Neinvertujúce zapojenie OZ
Čelný panel a blokový
o
ie som vychádzal z teoretických poznatkov a katalógových hodnôt. Simulácia
vychádza z neinvertujúceho zapojenia OZ. Čelný panel obsahuje ovládacie prvky zmeny
hodnoty rezistorov spätnej väzby R1 a R2, nastavenia hodnoty zosilnenia OZ, nastavenia
tranzitnej frekvencie ft OZ a percentuálneho stanovenia tolerančnej analýzy. Čelný panel
ďalej obsahuje indikačné prvky zosilnenia spätnej väzby, zosilnenia v dB, frekvencie
(pokles prenosu o 3 dB) a frekvenčnej odozvy. Pred alebo po spustení simulácie si
nastavím požadovanú hodnotu rezistorov spätnej väzby, zosilnenia OZ a tranzitnej
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 69
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– frekvencie OZ. Po spustení simulácie prebieha výpočet absolútnej hodnoty prenosu
neinvertujúceho zapojenia OZ podľa vzťahu (23), kde:
1
21
1B =
RR
+ (28)
K poklesu prenosu o 3 dB dochádza pri frekvencii podľa vzťahu (18). Hodnota zosilnenia
.5.2 Invertujúce zapojenie OZ
Čelný panel a blokový diagram virtuálneho prístroja Frekvenčná
odozva
je zobrazená na indikačnom prvku Napäťové zosilnenie. Percentuálne stanovenie
tolerančnej analýzy obvodových prvkov a napájacích napätí môžem realizovať pred alebo
po spustení simulácie na ovládacom prvku Tolerančná analýza predného panelu. Po
nastavení percentuálnej tolerancie rozptylu parametrov obvodových prvkov (R1 a R2)
prebieha výpočet najhoršej kombinácie ich parametrov a jej vplyv na výslednú
frekvenčnú odozvu. Všetky minimálne a maximálne hodnoty zosilnenia a frekvencie
(pokles prenosu o 3 dB) sú zobrazené na indikačných prvkoch. Výsledná minimálna
a maximálna frekvenčná odozva je zobrazená na indikačnom prvku Frekvenčná
charakteristika čelného panelu virtuálneho prístroja.
7
_invertujúce zapojenie OZ.vi sú znázornené v prílohe č. 10. Pri návrhu simulácie
som vychádzal z teoretických poznatkov a katalógových hodnôt, ktoré som prispôsobil
možnosti porovnať simuláciu s implementovanou tolerančnou analýzou k nameraným
frekvenčným odozvám invertujúceho zapojenia OZ. Simulácia vychádza z invertujúceho
zapojenia OZ. Čelný panel obsahuje také isté ovládacie a indikačné prvky ako simulácia
neinvertujúceho zapojenia OZ. Po spustení simulácie prebieha výpočet absolútnej
hodnoty prenosu invertujúceho zapojenia OZ podľa vzťahu (26), kde:
1
2
1B =
RR
− (29)
K poklesu prenosu o 3 dB dochádza pri frekvencii podľa vzťahu (18). Ďalší popis
funkčnosti simulácie a tolerančnej analýzy je taký istý, ako popis simulácie frekvenčnej
odozvy neinvertujúceho zapojenia OZ.
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 70
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 8 Návrhy VI meraní OZ pre potreby dištančného vzdelávania
8.1 VI merania na operačných zosilňovačoch
Pre potreby dištančného vzdelávania som navrhol VI merania operačných
zosilňovačov. Zadania VI meraní som navrhol tak, aby ich bolo možné porovnať zo
všetkými meraniami charakteristík operačných zosilňovačov a simuláciami operačných
zosilňovačov v programe LabVIEW, ktoré som uskutočnil a vypracoval v diplomovej
práci. Zadania VI meraní sa nachádzajú v prílohe č.11.
8.2 VI meranie na aktívnom pásmovom priepuste
Pre potreby dištančného vzdelávania som ďalej navrhol VI meranie aktívneho
pásmového priepustu. Návrh zadania, teoretický rozbor, meranie, vyhodnotenie a
simulácia aktívneho pásmového priepustu sa nachádzajú v prílohe č. 12. [11]
8.3 VI meranie na korekčnom zosilňovači
Ďalším návrhom je VI meranie korekčného zosilňovača. Návrh zadania, meranie,
teoretický rozbor, vyhodnotenie a simulácia korekčného zosilňovača sa nachádzajú v
prílohe č. 13. [12]
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 71
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 9 Záver
V tejto diplomovej práci som sa zaoberal problematikou merania a simulácie
charakteristík operačných zosilňovačov pomocou vývojového prostredia LabVIEW na
systéme NI ELVIS. Pri vypracovaní som zohľadnil fakt, že práca má slúžiť ako výukový
podklad predmetu ELEKTRONIKA. Preto som prácu zostavil tak, aby študenti mohli čo
najlepšie vniknúť do danej problematiky a plne využiť možnosti skúšobného systému
nielen pre merania charakteristík operačných zosilňovačov. V úvode práce som zhrnul
teóriu operačných zosilňovačov so zameraním na ich najdôležitejšie parametre, popis
vývojového prostredia LabVIEW a systému NI ELVIS. Jadro práce tvoria merania
charakteristík operačných zosilňovačov pomocou vývojového prostredia LabVIEW v
navrhnutých zapojeniach OZ na systéme NI ELVIS. Jadro ďalej tvoria uskutočnené
simulácie operačných zosilňovačov vo vývojovom prostredí LabVIEW s
implementovanou tolerančnou analýzou obvodových prvkov a napájacích napätí. V
závere práce som navrhol a uskutočnil VI merania operačných zosilňovačov pre potreby
dištančného vzdelávania predmetu ELEKTRONIKA. Za hlavné prínosy a výsledky tejto
diplomovej práce možno považovať:
• ucelený popis vývojového prostredia LabVIEW a prácu v ňom,
• popis špecifikácií a obmedzení systému NI ELVIS so zameraním na analógovú
časť tohto systému,
• uskutočnené merania charakteristík operačných zosilňovačov a ich porovnanie s
teoretickými poznatkami a katalógovými hodnotami,
• uskutočnené simulácie operačných zosilňovačov, ktoré kopírujú merania
charakteristík operačných zosilňovačov,
• uskutočnené tolerančné analýzy obvodových prvkov a napájacích napätí, ktoré sú
súčasťou simulácií,
• návrhy a následne uskutočnené VI merania operačných zosilňovačov, ktoré budú
slúžiť pre potreby dištančného vzdelávania predmetu ELEKTRONIKA.
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 72
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 10 Zoznam použitej literatúry
[1] http://fel.utc.sk/kee/documents/skripta_E_1.pdf
[2] Punčochář, J.: Operační zesilňovače v elektronice. BEN – technická literatúra,
Praha, 1999, 4. doplněné vydání. ISBN 80 – 86056 – 37 – 6.
[3] Žídek, J.: Grafické programování ve vývojovém prostředí LabVIEW. Ostrava,
říjen 2002.
[4] Votrubec, R.: LabVIEW for Windows. Technická univerzita v Liberci, únor 2000.
[5] http://www.ni.com/pdf/manuals/373363b.pdf
[6] http://www.ni.com/pdf/manuals/371290d.pdf
[7] http://kre.elf.stuba.sk/~caos/opamp.pdf
[8] http://cache.national.com/ds/LM/LM741.pdf
[9] http://dce.felk.cvut.cz/es/podklady/uloha_1laoz.pdf
[10] http://user.unob.cz/biolek/vyukaVUT/prednasky/BMPS/pro_studenty9.pdf
[11] http://fel.utc.sk/kee/documents/El1_cv4.doc
[12] http://fel.utc.sk/kee/documents/El1_cv5.doc
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 73
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Čestné vyhlásenie
Vyhlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod
odborným vedením vedúcej diplomovej práce Ing. Anny Kondelovej a používal som len
literatúru uvedenú v práci.
Súhlasím so zapožičiavaním diplomovej práce.
V Žiline dňa .............................. podpis diplomanta
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 74
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Poďakovanie
Touto cestou ďakujem vedúcej diplomovej práce Ing. Anne Kondelovej za
odborné vedenie, cenné rady, usmernenia a pripomienky pri tvorbe diplomovej práce.
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 75