LABORATORIOTYÖ 3 VAIHELUKITTU VAHVISTIN



Samankaltaiset tiedostot
LABORATORIOTYÖ 3 VAIHELUKITTU VAHVISTIN

LABORATORIOTYÖ 1 MITTAUSVAHVISTIMET

Operaatiovahvistimen vahvistus voidaan säätää halutun suuruiseksi käyttämällä takaisinkytkentävastusta.

Supply jännite: Ei kuormaa Tuuletin Vastus Molemmat DC AC Taajuus/taajuudet

Kondensaattorin läpi kulkeva virta saadaan derivoimalla yhtälöä (2), jolloin saadaan

Käytännön radiotekniikkaa: Epälineaarinen komponentti ja signaalien siirtely taajuusalueessa (+ laboratoriotyön 2 esittely)

LABORATORIOTYÖ 2 A/D-MUUNNOS

OPERAATIOVAHVISTIN. Oulun seudun ammattikorkeakoulu Tekniikan yksikkö. Elektroniikan laboratoriotyö. Työryhmä Selostuksen kirjoitti

LABORATORIOTYÖ 2 A/D-MUUNNOS

Tekniikka ja liikenne (5) Tietoliikennetekniikan laboratorio

Kondensaattorin läpi kulkeva virta saadaan derivoimalla yhtälöä (2), jolloin saadaan. cos sin.

OPERAATIOVAHVISTIMET 2. Operaatiovahvistimen ominaisuuksia

LOPPURAPORTTI Lämpötilahälytin Hans Baumgartner xxxxxxx nimi nimi

Pinces AC-virtapihti ampèremetriques pour courant AC

FYSP105 / K3 RC-SUODATTIMET

33 SOLENOIDIN JA TOROIDIN MAGNEETTIKENTTÄ

Spektri- ja signaalianalysaattorit

Radioamatöörikurssi 2017

Radioamatöörikurssi 2015

TYÖ 2: OPERAATIOVAHVISTIMEN PERUSKYTKENTÖJÄ

LABORATORIOTYÖ 2 SPEKTRIANALYSAATTORI

VIM RM1 VAL / SKC VIBRATION MONITOR RMS-MITTAUSJÄRJESTELMÄLLE KÄSIKIRJA. VIM-RM1 FI.docx / BL 1(5)

R = Ω. Jännite R:n yli suhteessa sisäänmenojännitteeseen on tällöin jännitteenjako = 1

Laitteita - Yleismittari

1 db Compression point

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

S Elektroniikan häiriökysymykset. Laboratoriotyö, kevät 2010

Varauspumppu-PLL. Taulukko 1: ulostulot sisääntulojen funktiona

M2A Suomenkielinen käyttöohje.

IMPEDANSSIMITTAUKSIA. 1 Työn tavoitteet

1 f o. RC OSKILLAATTORIT ja PASSIIVISET SUODATTIMET. U r = I. t τ. t τ. 1 f O. KAJAANIN AMMATTIKORKEAKOULU Tekniikan ja liikenteen ala

Pinces AC-virtapihdit ampèremetriques pour courant AC

1. a) Piiri sisältää vain resistiivisiä komponentteja, joten jännitteenjaon tulos on riippumaton taajuudesta.

S Mittaustekniikan perusteet A. Esiselostustehtävät Erityisesti huomioitava

Anturit ja Arduino. ELEC-A4010 Sähköpaja Tomi Pulli Signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitos Mittaustekniikka

MITTALAITTEIDEN OMINAISUUKSIA ja RAJOITUKSIA

HARJOITUSTYÖ: Mikropunnitus kvartsikideanturilla

Suomenkielinen käyttöohje

PERMITTIIVISYYS. 1 Johdanto. 1.1 Tyhjiön permittiivisyyden mittaaminen tasokondensaattorilla . (1) , (2) (3) . (4) Permittiivisyys

Tietoliikennesignaalit & spektri

Radioamatöörikurssi 2014

LABORAATIO 1, YLEISMITTARI JA PERUSMITTAUKSET

Mittalaitetekniikka. NYMTES13 Vaihtosähköpiirit Jussi Hurri syksy 2014

S OPTIIKKA 1/10 Laboratoriotyö: Polarisaatio POLARISAATIO. Laboratoriotyö

Pinces AC/DC-virtapihdit ampèremetriques pour courant AC

Radioamatöörikurssi 2013

Alipäästösuotimen muuntaminen muiksi perussuotimiksi

FYSP105/2 VAIHTOVIRTAKOMPONENTIT. 1 Johdanto

Muuntavat analogisen signaalin digitaaliseksi Vertaa sisääntulevaa signaalia referenssijännitteeseen Sarja- tai rinnakkaismuotoinen Tyypilliset

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I. Verkkojen taajuusriippuvuus: suo(dat)timet

TL5503 DSK, laboraatiot (1.5 op) Suodatus 2 (ver 1.0) Jyrki Laitinen

Radioamatöörikurssi 2016

Pinces AC/DC-virtapihti ampèremetriques pour courant AC

DEE Sähkömoottorikäyttöjen laboratoriotyöt. Tasavirtakäyttö

Vahvistimet. Käytetään kvantisointi alue mahdollisimman tehokkaasti Ei anneta signaalin leikkautua. Mittaustekniikka

S Elektroniikan häiriökysymykset. Laboratoriotyö 1

S Signaalit ja järjestelmät

Suodattimet. Suodatintyypit: Bessel Chebyshev Elliptinen Butterworth. Suodattimet samalla asteluvulla (amplitudivaste)

Tehtävään on varattu aikaa 8:30 10:00. Seuraavaan tehtävään saat siirtyä aiemminkin. Välipalatarjoilu työpisteisiin 10:00

Tehtävä 8. Jännitelähteenä käytetään yksipuolista 12 voltin tasajännitelähdettä.

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

FYSP105/2 VAIHTOVIRTAKOMPONENTIT. 1 Johdanto. 2 Teoreettista taustaa

YLEISMITTAREIDEN KÄYTTÄMINEN

S Elektroniset mittaukset ja elektroniikan häiriökysymykset. Vanhoja tenttitehtäviä

Kaikki kytkennät tehdään kytkentäalustalle (bimboard) ellei muuta mainita.

Pekka Pussinen OH8HBG - oulu.fi

83950 Tietoliikennetekniikan työkurssi Monitorointivastaanottimen perusmittaukset

Aktiivinen jakosuodin Linkwitz-korjauksella

FYS206/5 Vaihtovirtakomponentit

Ch4 NMR Spectrometer

Lähettimet ja vastaanottimet

Perusmittalaitteet 2. Yleismittari Taajuuslaskuri

1.1 Tyhjiön permittiivisyyden mittaaminen tasokondensaattorilla

M2A Suomenkielinen käyttöohje.

Perusmittalaitteet 3. Yleismittari. Mittaustekniikan perusteet / luento 5. Digitaalinen yleismittari. Digitaalinen yleismittari.

S Mittaustekniikan perusteet A. Esiselostustehtävät Erityisesti huomioitava

1 Olkoon suodattimen vaatimusmäärittely seuraava:

RAIDETESTERIN KÄYTTÖOHJE

Suomenkielinen käyttöohje

Oikosulkumoottorikäyttö

Ledien kytkeminen halpis virtalähteeseen

Vahvistimet. A-luokka. AB-luokka

- Käyttäjä voi valita halutun sisääntulon signaalin asetusvalikosta (esim. 0 5V, 0 10 V tai 4 20 ma)

Säätötekniikan ja signaalinkäsittelyn työkurssi

Dynatel 2210E kaapelinhakulaite

1 TEHTÄVÄNKUVAUS PAINE, MITÄ SE ON? ANTURI Ominaisuudet Toiminta KOKEET Mittausvälineet...

a) I f I d Eri kohinavirtakomponentit vahvistimen otossa (esim.

RAPORTTI Risto Paakkunainen Arto Valtonen Pasi Vähämartti Metsäteollisuuden automaation harjoitustyö Joulukuu 2007

4B. Tasasuuntauksen tutkiminen oskilloskoopilla.

Ongelmia mittauksissa Ulkoiset häiriöt

MICRO-CAP: in lisäominaisuuksia

TASA- JA VAIHTOVIRTAPIIRIEN LABORAATIOTYÖ 5 SUODATINPIIRIT

VAIHTOVIRTAPIIRI. 1 Työn tavoitteet

2. Sähköisiä perusmittauksia. Yleismittari.

Häiriöt ja mittaaminen. OH3TR:n radioamatöörikurssi Kalvot: Eero Alkkiomäki (OH6GMT), 2003 Tiiti Kellomäki (OH3HNY), 2009

Radioamatöörikurssi 2018

20 Kollektorivirta kun V 1 = 15V Transistorin virtavahvistus Transistorin ominaiskayrasto Toimintasuora ja -piste 10

Tiedonkeruu ja analysointi

ONE 118 OHJELMOITAVA PÄÄVAHVISTIN

Kuva 1. Ohmin lain kytkentäkaavio. DC; 0 6 V.

Transkriptio:

LABORATORIOTYÖ 3 VAIHELUKITTU VAHVISTIN Päivitetty: 23/01/2009 TP 3-1

3. VAIHELUKITTU VAHVISTIN Työn tavoitteet Työn tavoitteena on oppia vaihelukitun vahvistimen toimintaperiaate ja käyttömahdollisuudet heikkojen signaalien havaitsemisessa. Sisältö: 3.1. Vaihelukitun vahvistimen toimintaperiaate (s. 2) 3.2. Dynaaminen reservi ja signaali/häiriö-suhde (s. 3) 3.3. Käytettävän laitteen toiminnot (s. 4) 3.4. Esiselostustehtävät (s. 5) 3.5. Mittausohjeet (s. 6) 3.1. Vaihelukitun vahvistimen toimintaperiaate Tässä työssä tutkittava vaihelukittu vahvistin, eli lock-in vahvistin, on laite jota käytetään heikkojen tai hyvin häiriöisten signaalien havaitsemiseen. Vaihelukitun vahvistuksen periaatteena on moduloida tutkittavaa systeemiä (tässä työssä loistediodi, LED) jollakin referenssitaajuudella, joka saadaan signaaligeneraattorista tai vaihelukitun vahvistimen sisäisestä oskillaattorista. Tutkittavasta systeemistä tuleva signaali detektoidaan ja yleensä suodatetaan kaistanpäästösuodattimella, jonka päästökaista on viritetty moduloivan signaalin taajuudelle tai jollekin sen harmoniselle taajuudelle. Suodatuksen jälkeen signaali kerrotaan moduloivan signaalin kanssa, jolloin syntyvät signaalien summa- ja erotaajuudet. Koska kertojan sisäänmenevillä signaaleilla (mitattava signaali ja referenssisignaali) on sama taajuus, saadaan kertojan ulostulosta tasajännite ja kaksinkertaisella signaalitaajuudella oleva jännite. Kertojan ulostulosta suodatetaan suuritaajuinen komponentti kapeakaistaisella alipäästösuodattimella. Lopuksi jäljelle jäänyt tasajännite vahvistetaan. Kuvassa 3.1 on esitetty yksinkertaistettu kaaviokuva laboratoriotyössä käytettävästä laitteistosta. Oskillaattori 4.5 Vp-p 1. 2. Vaiheensiirto Vahvistus 1/3 Ν Jännitteiden mittauspisteet (kts. kuva 3.) LED modulaattori Detektori 3. Kertoja Y(t,φ) X(t) Kaistanpäästö suodatin Z=αXY α=0.6 4. 5. Alipäästö suodatin DC-Vahvistin Vahvistus 9.2 Tasajännite ulos 6. Kuva 3.1.Käytettävä laitteisto ja lohkojen ominaisuudet. 3-2

Kuvassa 3.1 näkyvä kertoja skaalaa sisääntulevien jännitteiden tulon kertoimella α. Kaistanpäästösuodatin sisältää vahvistimen, jonka vahvistus on 8. Numeroiduista pisteistä voidaan lukea jännitteet oskilloskoopille. Vastaavat pisteet on merkitty myös vaihelukitun vahvistimen koteloa esittävään kuvaan 3.3. Detektorina on 2.5 mm x 2.5 mm pii-fotodiodi, joka antaa tulevaan tehoon verrannollisen virran. Samaan koteloon detektorin kanssa on integroitu operaatiovahvistin, joka toimii virta-jännitemuuntimena. Muuntimen antama jännite voidaan skaalata käyttämällä ulkoista takaisinkytkentävastusta, jonka arvo tässä tapauksessa on 1 MΩ. Kuvassa 3.2 on esitetty detektorin spektrinen herkkyys kyseisellä takaisinkytkentävastuksen arvolla. Kuva 3.2. Detektorin spektrinen herkkyys. Kun detektorin spektrinen herkkyys tunnetaan halutulle aallonpituudelle, voidaan laskea vahvistimen antama tasajännite kertomalla detektorin herkkyys eri vahvistinlohkojen vahvistuksilla ja ottamalla huomioon analogisen kertojan skaalauskerroin. 3.2. Dynaaminen reservi ja signaali/häiriö-suhde Käsite dynaaminen reservi kuvaa mittalaitteen kykyä kestää kohinaa tai häiriösignaaleja mittalaitteen ylikuormittumatta. Dynaamisen reservi on vahvistimen kestämän häiriöjännitteen suurimman arvon suhde signaalin täyden näyttämän arvoon. Tämä arvo ei kuitenkaan tässä mittauksessa ole kovin havainnollinen, vaan on parempi mitata signaali/häiriö-suhde. Tämä lasketaan pienimmän mitatun signaalin amplitudin suhteena mitatun häiriöjännitteen amplitudiin. 3-3

3.3. Käytettävän laitteen toiminnot Työssä käytettävä laite on pyritty suunnittelemaan sellaiseksi, että sillä pystytään tutkimaan signaalien tasoja ja aaltomuotoja laitteen eri osissa, jolloin saadaan hyvä kuva vaihelukittu vahvistimen toiminnasta. Kuvassa 3.3 on laboratoriotyössä käytettävä laite kuvattuna edestä ja sivulta. LED Mod ON OFF Osc Phase 0-180 Invert 0 Phase GND Det FILTER BP 180 RC FILTER Analog 1. 2. 3. 4. 5. 6. GND DC Kuva 3.3 Kuva vaihelukitun vahvistimen kotelosta edestä ja sivulta. Laitteessa on seuraavat kytkimet ja liittimet: MOD ON/OFF-kytkimellä laitetaan päälle ja pois LEDille menevä modulointisignaali. OSC OUT-liittimestä saadaan oskillaattorilta tuleva signaali. PHASE 0-180-potentiometri säätää oskillaattorisignaalin vaihetta välillä 0 180 astetta. INVERT-kääntää vaihetta 180 astetta. PHASE- ja INVERT-säätimiä käytetään yhdessä kun on etsittävä vaihe, jolla ulostulosignaali on maksimissa. PHASE OUT-liittimestä saadaan oskillaattorisignaali vaiheensiirron jälkeen. Huom. vaiheensiirtopiiri pudottaa oskillaatorin amplitudin kolmasosaan. DET OUT-liittimestä saadaan suoraan detektorilta tuleva signaali. FILTER BP/RC-kytkimellä valitaan suodatin, jolla detektorin antosignaalia suodatetaan. Valittavana on BP, eli kaistanpäästösuodatin tai RC-ylipäästösuodatin. FILTER OUT-liittimestä saadaan ulos suodatettu ja vahvistettu detektorisignaali. ANALOG OUT-liittimestä voidaan tutkia analogisen kertojan antosignaalia. DC OUT-liittimestä saadaan ulostuleva vahvistettu tasajännite. Lisäksi laatikon sivulla on detektori sekä liitäntä ledille. Detektoria ei ole suojattu, joten sitä ei saa sormeilla eikä kolhia!!! 3-4

3.4. Esiselostustehtävät 1. Laske analogisen kertojan ulostulosignaali, kun sisään menee kaksi siniaaltoa, joiden amplitudit ovat A 1 ja A 2, kulmataajuus ω ja vaihe-ero φ. Laske myös ulostulo, jos toiseen siniaaltoon on summautunut offset jännite A 0. Piirrä kuva, jossa näkyy kertomistulos, kun φ = 0, A 0 = 0.5 V, A 1 = 1 V ja A 2 = 0.5 V. Voit valita käytettävän kulmataajuuden ω. 2. Laske kuvassa 3.1 olevan vaihelukitun vahvistimen vahvistus (V/µW) punaiselle valolle detektorilta DC - ulostuloon. Detektorin vaste on kuvassa 3.2. 3. Laske, kuinka kauan kestää RC-alipäästösuodattimen asettuminen 99 %:iin lopullisesta arvosta, kun sisääntuleva DC-jännite kasvaa 0 -> 1 V. RC = 0.7 s. 4. Laske 50 Hz tasasuunnatun siniaallon spektri, eli Fourier-sarjan kertoimet. Tasasuunnattua siniaaltoa suodatetaan RC-ylipäästösuodattimella, jonka rajataajuus on 1.5 khz. Arvioi minkälainen aaltomuoto on suodattimen jälkeen. Vihjeitä: a 0 + ( a n cos(n ω t) + b n sin( n ω t)), parilliselle funktiolle b 2 n = 0. n=1 Ylipäästösuodatin toimii derivaattorina rajataajuuden alapuolella. 3-5

3.5. Mittausohjeet 3.5.1. Tarvittavat laitteet Vaihelukittu vahvistinlaatikko ja LED Oskilloskooppi ja yleismittari Mittanauha tai viivoitin 3.5.2. Mittaukset Huom. Yritä suunnata LED kaikissa mittauksissa mahdollisimman hyvin kohti detektorin aukkoa. Kirjaa mittaustulokset valmiille vastauslomakkeelle. 1. Kytke aluksi käyttöjännitteet ( ±12V) ja maa sekä kiinnitä LEDissä kiinni oleva kaapeli vaihelukittuun vahvistimeen. Aseta LED lähelle (n. 5 cm) detektorin aukkoa. Varmista, että modulointi on päällä ja tutki detektorilta saatavaa signaalia oskilloskoopilla (mittauspiste DET OUT). Oskilloskooppi DC-kytkettynä. Mistä oskilloskoopilla näkyvä 100 Hz häiriö johtuu? Mittaa häiriön amplitudi. Näkyykö moduloivaa signaalia? 2. Seuraavaksi tutkitaan suodatuksen vaikutusta detektorilta saatavaan signaaliin (mittauspiste FILTER OUT). Mitataan RC-ylipäästösuodattimella suodatettua signaalia (FILTER asennosssa RC). Millainen on aaltomuoto suodattimen jälkeen (vrt. esiselostustehtävä 4)? Mikä on häiriön amplitudi? Kytke FILTER asentoon BP. Parantaako tämä signaalin havaitsemista? Huom. Piirilevyllä ilmenee jonkin verran oskillaattorista kytkeytyvää häiriötä. 3. Mittaa analogiselle kertojalle menevän oskillaattorisignaalin taajuus ja amplitudi PHASE OUT-liittimestä. Kytke analogiselta kertojalta (mittauspiste ANALOG OUT) saatu signaali oskilloskoopille vuorotellen oskillaattorisignaalin ja detektorisignaalin kanssa. Vastaako kertomistulos odotettua? Osaatko sanoa havaitusta aaltomuodosta, onko sisäänmenevissä signaaleissa DC-offsettia (vrt. esiselostustehtävä 1)? 4. Kytke yleismittari DC-ulostuloon. Varmista, että filtteri on BP-asennossa. Peitä LED ja mittaa ulostulossa oleva offset-jännite. Aseta LED siten, että ulostulossa on n. 0.3V jännite, kun vaihe-eron säätimet ovat nollassa. (PHASE 0 ja INVERT 0). Tutki, voidaanko analogiselle kertojalle menevien signaalien vaihe-eroa säätää 0 360 astetta. Säädä oskillaattorilta tulevan signaalin vaihetta 0 180 astetta (huom. tämä potentiometri ei ole lineaarinen) ja piirrä kuva DC-jännitteestä oskillaattori- ja detektori-signaalien vaiheeron funktiona (kuva 3.4, seuraava sivu). 3-6

Vaih een siirto Va h vis tu s 1/ 3 Y(t,φ) 2. Kertoja Vaihe-ero X(t) 4. Ka is ta n pä ä s tö suodatin Kuva 3.4. Mittaus 4 - vaihe-eron säätäminen. 5. Oletetaan LEDin toimivan pistelähteenä, joka noudattaa neliölakia (lähteen intensiteetti putoaa suoraan verrannollisena etäisyyden neliöön). Mittaa ulostuleva DC-jännite etäisyyksillä 5 40 cm viiden senttimetrin välein. Piirrä ulostuleva jännite etäisyyden funktiona ja tutki toteutuuko neliölaki. Ellei neliölaki toteudu, pohdi eri syitä, mitkä siihen voivat vaikuttaa. 6. Esitä työhön liittyviä kommentteja ja parannusehdotuksia. 3-7