S-108.195 Mittaustekniikan perusteet A Esiselostustehtävät 2001 Ryhmän tulee merkitä vastauspaperiin työn numero, ryhmän numero, työn päivämäärä ja ryhmän jäsenten nimet. Vastaukset on kirjoitettava siististi paperille, joka palautetaan assistentille. Ryhmän kannattaa kopioida vastauksensa ennen niiden luovutusta assistentille, sillä tehtäviä kannattaa kertailla töistäpääsykuulustelua varten. Työt 8 ja 9 ovat vaihtoehtoisia töitä. Erityisesti huomioitava Oskilloskoopin ja ja muiden laitteiden käyttö Koska oskilloskoopin runko on maadoitettu, on tarkistettava, että oskilloskoopin mittajohdon suojavaippa kytketään mitattavan piirin maahan, (eikä minnekään muualle) jotta ei aiheutettaisi mitattavaan piiriin oikosulkua. Samoin signaaligeneraattorin maa kytketään piirin maahan. Muut älä peitä papereilla tai muilla tavaroilla laitteita, joiden tuuletus saattaa tästä heikentyä ilmoita viallisista laitteista assistenteille pienikin jännite rikkoo väärin kytkettynä elektroniikkapiirit Työ 0: Kaksisädeoskilloskoopin käyttö Työn 0 esiselkkarit ovat raskaammasta päästä, kun verrataan loppuihin töihin, joten älä masennu, jos ensimmäiseen esiselkkariin menee paljon aikaa. Työssä 0, kuten monessa muussakin työssä, joudut soveltamaan piirianalyysi 1:ssä opittuja taitoja. 1. Tulet laboratorioon suorittamaan oskilloskooppityötä ja edellinen työryhmä on jättänyt skoopin tilaan, jossa sädettä ei näy ollenkaan, vaikka virta on kytketty. Mitä säätimiä käyttäisit säteen (=kuvan) esillesaamiseksi? Mainitse korkeintaan 5 säädintä ja niiden käyttötarkoitus. 2. Oskilloskoopissa on ottoliittimen vieressä merkintä 1 MΩ, 15 pf. Kytket 1:10 vaimentavan mittapään 1,5 m pituisella suojatulla johdolla skooppiin. Johdon kapasitanssi on 80 pf/m. Mitä ovat mittapään vastuksen ja kondensaattorin arvojen oltava, jotta askelvaste olisi mahdollisimman hyvä? Mikä on skoopin ja 1,5 m pitkän johdon muodostama impedanssi 5 khz ja 15 MHz taajuuksilla? Entä mikä on impedanssi mitattaessa em. mittapään kanssa? Miksi tulisi käyttää mittapäätä? 3. Mittaat 1 µf:n kondensaattorin ja 1 Mohm:n vastuksen muodostaman sarjaankytkennän kondensaattorin latautumisen aikavakiota oskilloskoopilla. Laske teoreettinen aikavakio. Kytket 10 V:n jännitteen kytkennän yli. Mihin arvoon kondensaattorin yli oleva jännite nousee, jos mittaat 1 mittapään avulla 2 ilman mittapäätä? Miten perustelisit mittapään käytön? 4. Laske RC-alipäästösuodattimen (kuva 1) kompleksinen vaste (=U out /U in ) taajuuksilla 1 khz, 10 khz, 100 khz ja 1 MHz.
R U in 1 kω C 1 nf U out Kuva 1 Käytä polaarikoordinaatteja, esim. 0,71 + j0,71 pitää ilmoittaa 1 /45. Mikä on piirin -3 db:n rajataajuus? Kuinka monta prosenttia rajataajuus muuttuu, jos mittaat piiristä jännitettä kondensaattorin yli edellisen tehtävän skoopilla ilman mittapäätä? Vihje: Saat tuloksen riittävällä tarkkuudella, jos huomioit vain kaapelin ja oskilloskoopin kapasitanssin. Oskilloskoopin resistanssi muutetaan siis äärettömäksi. 5. Rakentamassasi 15 V:n jännittelähteessä on puoliaaltotasasuuntauksesta johtuvaa verkkotaajuista värähtelyä, rippeliä. Mittaat tämän muutamien kymmenien millivolttien suuruusluokkaa olevan rippelin suuruuden oskilloskoopin avulla. Selitä oleellisimmat asetukset, jotta saat rippelin suuruuden mitattua mahdollisimman tarkasti. Jos rippeli on 30 mv:a, ja käytät operaatiovahvistinta, jonka vaimennus käyttöjännitteessä olevia vaihteluita vastaan on 100 db, niin kuinka suurena jännitevaihteluna rippeli näkyy operaatiovahvistimen annossa? Työ 1: Yleismittarin käyttäminen 2,5 V T -2,5V Kuva 2 1. Laske kuvan 2 signaalien tasasuunnatut keskiarvot ja tehollisarvot. Mitä Metex ja Fluke näyttävät mitattaessa oheisia signaaleja? 2. Miksei nelipistemittauksessa virtalähteen ja mitattavan vastuksen R välissä olevilla vastuksilla R1 ja R2 ole vaikutusta resistanssin R mittaustulokseen (kuva 3)? R1 R3 R2 R R4 V Kuva 3 Onko jännitemittarin (V) ja mitattavan vastuksen R välissä olevilla johdinvastuksilla R3 ja R4 ( < 1 Ω ) vaikutusta mittaustulokseen? Volttimittarin sisäinen vastus on 10 MΩ.
3. Haluat mitata kuvan 4 mukaisen piirin vastuksen R3 resistanssin. Käytössäsi on sekä virtaettä jännitemittari. Jännitelähde on kytketty piiriin kuvan 4 mukaisesti. N1 R1 N2 R3 N3 VDC R2 GND GND Kuva 4 Piirrä kaaviot mittausjärjestelystä sekä esitä kaavat vastuksen laskemiseksi mittaustuloksista. Voit kytkeä käytössäsi olevat laitteet solmuihin N1, N2, N3 ja GND. 4. Epäilet käytettävän yleismittarin jännitemittausasennossa kuormittavan mitattavaa piiriä. Päätät mitata yleismittarin sisäänmenoresistanssin voidaksesi varmistua asiasta. Helposti saatavilla on paristo ja 4.7 Mohmin vastus. Miten mittaat mittarin sisäänmenoresistanssin näiden avulla? Piirrä kuva. Jos pariston mitattu napajännite on 1,50 V ja vastuksen kanssa mitattuna 0,23 V niin paljonko on mittarin sisäänmenoresistanssi? Työ 2: Spektrin mittaaminen 1. Laske alla olevan kuvan 5 signaalista sen perustaajuisen sinikomponentin ( ω o ) amplitudi. Laske amplitudit myös DC-komponentille sekä harmonisille sinikomponenteille taajuuksilla 2ω o, 3ω o, 4ω o ja 5ω o. Laskut näkyviin. 1 V U 0 V t 1 µ s Kuva 5 2. Hahmottele tai selitä, miltä yllä oleva signaali (kuva 5) näyttää, jos: a) se suodatetaan ideaalisella alipäästösuodattimella, jonka rajataajuus on 1.5MHz. b) se suodatetaan ideaalisella ylipäästösuodattimella, jonka rajatuujuus on 0.5MHz. c) se suodatetaan ideaalisella ylipäästösuodattimella, jonka rajataajuus on 1.5MHz. 3. a) Laske 2 MΩ:n vastuksen lämpökohinajännite, kun kaista on 10 MHz, T = 373K. b) Laske raekohinavirta, kun diodin virta on 40 ma ja kaista on 200 khz.
4. Haluat erottaa toisistaan 1 MHz:n välein olevat taajuuskomponentit. Taajuuspyyhkäisy kattaa 10 MHz:n kaistan. Kuinka kauan tulee yhden pyyhkäisyn vähintään kestää? 5. Mitä tarkoitetaan signaalin säröytymisellä? Anna yksi käytännön esimerkki, missä tilanteessa sinisignaali säröytyy. Työ 3 Taajuuslaskuri 1. Mitattava signaalitaajuus on 1 MHz ja mittausaika 100 ms. Mikä on mittauksen suhteellinen erottelukyky? 2. Mittaat taajuutta mittarilla, jonka kellotaajuus on 1 MHz ja suurin mittausaika 10 sekuntia. Mikä on rajataajuus, jonka toisella puolella kannattaa käyttää periodimittausta ja toisella puolella suoraa mittausta? Mittauksessa ei ole mahdollista keskiarvoistaa useampaa pulssia. Ilmoita myös, kummalla puolella tätä taajuutta kannattaa käyttää mitäkin menetelmää. 3. Mikä periaatteellinen ero on suorassa taajuusmittauksessa ja periodimittauksessa? Miten taajuuslaskurin toiminta eroaa näissä kahdessa tapauksessa? 3. Olet saanut käsiisi kapasitiivisen kosteusanturin (kapasitanssi muuttuu kosteuden mukaan) ja haluat käyttää sitä kosteuden mittaamiseen. Sinulla ei kuitenkaan ole kapasitanssimittaria, mutta oskillaattorin teko-ohjeita löydät oppikirjoista ja taajuuslaskurikin sinulla on käytössäsi. Miten näistä kokoat laitteen, jolla voit mitata kosteutta? Piirrä lohkokaavio. Mitä hyötyäkin mittauksen siirtämisestä taajuustasoon yleensä voi olla? 4. Kertaa laskimesi käyttöohjeesta, kuinka laskimellasi lasketaan lukujoukon keskiarvo ja keskihajonta seka lukuparijoukolle lineaarisen regression kertoimet a ja b sekä korrelaatiokerroin. Esitä oppimasi assistentille. Työ 4: Anturimittauksia 1. Kuvassa 6 oleva käyrä kuvaa erään termistorin resistanssin muuttumista lämpötilan funktiona. Selitä minkä tyyppinen termistori on kyseessä sekä laske sille ominaisen kertoimen β arvo. Kopioi kuva summittaisesti vastauspaperiin ja hahmottele saman kuvaan Pt-100 anturin resistanssin riippuvuus lämpötilasta ja selitä näiden kahden käyrän perusteella termistorin ja Pt- 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 Lämpötila [ºC] 100 anturin merkittävimmät edut ja heikkoudet toisiinsa nähden. Kuva 6
2. Anturin lämpövastus ilmaan on 18,1 K/W ja veteen 0,66 K/W. Anturin lämpökapasiteetti on 11 J/K. Laske aikavakiot mitattaessa ilman ja veden lämpötilaa. Selitä kuvan avulla miten voit määrittää aikavakion lämpötila-aika kuvaajasta. 3. Edellisen tehtävän anturi on tyypiltään pt-100 vastusanturi (n. 100 Ω mittauslämpötilassa). Mittausvirtana käytetään 5 ma:a. Mittausvirta siis lämmittää anturia. Mikä on mittausvirhe ilmassa ja vedessä, kun anturin lämpötila on ehtinyt asettua? Mitä tekijöitä tulee ottaa huomioon sopivaa mittausvirtaa valittaessa? 4. Kirjan kuvan 35 (6. painos kuva 34)kaltaisessa asetelmassa rautatankoa väännetään alas niin, että anturin kohdalla tangon yläpuolen suhteellinen venymä on 10-4 ja alapuolen kokoonpuristuminen on samansuuruinen. Sähköinen kytkentä on (8. painos: kuvan 36, 6. painos: 35) kaltainen. Kuinka monta ohmia pitää potentiometriä säätää, että mittaussilta pysyy tasapainossa (eli mv-mittari näyttää nollaa ennen vääntämistä ja väännön aikana)? Alussa potentiometri on keskiasennossa. Venymäliuska-anturien K=2,04. Työ 5: Oskilloskoopin XY-asento 1. Saat XY-asennossa seuraavanlaisen kuvion (kuva 7). Esitä menetelmä, jonka avulla voit laskea x- ja y-kanavien signaalien välisen vaihe-eron Y x Kuva 7 2. Mittaat kuvan 8 mukaista kelan ja vastuksen muodostamaa piiriä. Olet mitannut vaihe-eroksi 60, vastus R on 1 Ω ja R L on 0,2 Ω. Laske kelan induktanssi ja hyvyysluku. u y - R R L L + u x Kuva 8 3. Piirrä diodin ja zenerdiodin virta-jännite käyrät ja selitä komponenttien toiminta ja toiminan erot näiden käyrien avulla. Määritä kuvasta käsitteet kynnysjännite ja läpilyöntijännite.
4. Laske, kuinka suuri valodiodin kynnysjännitteen tulee vähintään olla, kun ottaa huomioon, että yksi elektroni saa aikaan yhden fotonin. Punaisen valon aallonpituus on 650 nm, vihreän 550 nm. Fotonin energia on hf, missä h on Planckin vakio 6,626. 10-34 Js ja f on valon taajuus. Työ 6: Sähköisten häiriöiden tutkiminen 1. Kertaus. Piirrä kytkentä jossa jännite/virtalähteen ja vastuksen muodostamaa piiriä mitataan sekä jännite- että virtamittarilla. 2. Tehovahvistus desibeleinä määritellään: 10lg(Pout/Pin). Miten määritellään jännitevahvistus desibeleinä kun U=IR; P=UI ja Rout=Rin=R. 3. Elektroniikkalaitteen analogia- ja digitaaliosia sisältävällä piirilevyllä kulkee foliovetoa pitkin digitaalinen kellosignaali, jonka taajuus on 1 MHz. Signaali on sakara-aaltoa, jonka voi ajatella siniaaltokomponenttien summaksi (1, 3, 5, 7 MHz, jne.) Laske, kuinka suuret jännitekomponentit kytkeytyvät digitaalivedosta 1, 3 ja 5 MHz taajuuksilla vieressä kulkevaan analogiasignaalia välittävään foliovetoon. Taajuuskomponentteja vastaavat jännitearvot digitaalivedossa ovat 4,5 V, 1,5 V ja 0,9 V. Digitaali- ja analogiavedon välinen kapasitanssi on 2 pf. Analogiavedon kapasitanssi maahan nähden on 10 pf (sisältäen vetoon liittyvien lähtöjen ja tulojen kapasitanssit). Vastaavasti resistanssi maahan on 5 kω. 4. Mitkä ovat tehtävän 3 analogiavetoon kytkeytyvät jännitekomponentit jos digitaalinen kellosignaali vedetään maadoittamattomaan koaksiaalikaapeliin jonka signaalijohtimen ja vaipan välinen kapasitanssi on 2pF ja vaipan ja analogiavedon välinen kapasitanssi myös 2pF? Analogiavedon ja maan väliset arvot säilyvät ennallaan. Työ 7: Muisti- ja viiveoskilloskoopit 1. Digitaalioskilloskoopin laskentaa varten käyttämä informaatio on sama joka on näkyvissä oskilloskoopin kuvaruudulla. Miten tämä vaikeuttaa kanttiaallon pulssinpituuden mittausta? (vihje: mitä eroa on jaksonpituudella tai jaksonpituuden puolikkaalla ja pulssinpituudella?) Mieti voisiko rajoitusta yrittää kiertää jollain tavoin, kokeile laboratoriotyön aikana onnistuuko tämä käytännössä. 2. Piirrä periodinen signaali joka voi jaksonsa aikana oskilloskoopilla mitatessa liipaistua eri kohdista. Jos näin käy, millainen signaali näkyy skoopin ruudulla? Miten tämä estettiin? 3. Digitaalipiirin oton jännite nousee RC-piirin kondensaattorin latauskäyrän mukaisesti. Kun piiriin syötetään TTL-kanttiaaltoa (0,0-5,0V), kuinka paljon piirissä syntyy viivettä lähtöimpedanssin ja oton kapasitanssin takia (nouseva & laskeva muutos)? Pohdiskele piirin suurinta toimintataajuutta ja seikkoja mitkä siihen vaikuttavat. Voit käyttää TTL-tasojen rajana 1,5 V:a. Syöttävän TTL-piirin lähtöimpedanssi on 6,4 kohm muutoksessa 1 0 ja 50 ohm muutoksessa 0 1 ja laskettavan piirin oton kapasitanssi 5 pf.
Työ 8: Optinen tietoliikenne (vaihtoehtoinen) 1. Laske oheisen kuvan 9 linkistä : Mikä lähettimen teho tarvitaan, kun haluttu tehomarginaali on 8 db ja kuidun pituus on 5 km? Käytetään lähettimenä lediä. Kuinka suuri sen spektrin leveys saa korkeintaan olla, jotta linkissä pystytään siirtämään 100 Mbit/s signaalia? Kuidun materiaalidispersio on D=45 ps/nm/km ja =0.25. Onnistuuko tiedonsiirto ledillä jonka spektri on kuvassa 5? Kuitu Lähetin Kuva 9 Liitin Liitin 0.5 db α=3 db/km 0.5 db Vastaanotin Herkkyys = 1µ W 2. Optisen kuidun pituus voidaan mitata lähettämällä sinimuotoisesti moduloitu laserin signaali sen läpi. Tämä signaali otetaan vastaan ja mitataan oskilloskoopilla. Liipaisu tehdään laseria moduloivalla signaalilla. Siniaallon taajuutta säädetään ja etsitään oskilloskoopin näytöltä piste, jossa kuidun läpi edenneen siniaallon vaihe pysyy paikallaan taajuudesta riippumatta. Tämä mittaus tehdään sekä tuntemattoman mittaiselle kuidulle että 1 m:n mittaiselle referenssikuidulle. Määritä kaava, jolla voidaan laskea tuntemattoman kuidun pituus kun tunnetaan aika-akselin pisteet joissa vaihe pysyy vakiona. Vihje: Kuidun läpi etenevä siniaalto voidaan esittää A sin( ωt kz), missä A on signaalin amplitudi, ω on modulointitaajuus, k on kuidun etenemisvakio (k=2π/λ), λ on käytetyn valon aallonpituus ja z valon kuidussa etenemä matka. 3. Monimuotokuidun datalehdestä löytyvät seuraavat tiedot: BW L=250 MHz km @ 850 nm ja BW L=1150 MHz km @ 1300 nm. Laske suurin mahdollinen bittinopeus 5 km:n kuidun läpi molemmille aallonpituuksille. Työ 9: Vaiheherkkä (lock-in) vahvistin (vaihtoehtoinen) 1. Selosta lyhyesti vaihelukitun (lock-in) vahvistimen osat ja niiden tehtävät. 2. Miksi vaihelukitusta vahvistimesta on hyötyä heikkojen ja kohinaisten signaalien mittauksissa? 3. a) Laske analogisen kertojan ulostulosignaali, kun sisään menee kaksi siniaaltoa joiden amplitudit ovat A1 ja A2, molempien kulmataajuus ω ja vaihe-ero φ. b) Piirrä kuvaaja, jossa näkyy kertomistulos, kun φ=0, A1=1 V, A2=0.5 V ja taajuus f=10 khz. c) Mitä tapahtuu, kun b-kohdan tulosta suodatetaan RC-alipäästösuodattimella, jonka aikavakio τrc=1 s. 4. Laske kuinka kauan kestää RC-alipäästösuodattimen asettuminen 95%:iin lopullisesta arvosta, kun sisääntuleva DC-jännite kasvaa 0->3 V. Suodattimen aikavakio on 0.3 s.