Piiriteoria II Lakuharjoituket yky 5 TkT Marko Neitola marko.neitola@ee.oulu.fi TS3 Siällyluettelo... ivu Harjoitu... 3 Harjoitu... 7 Harjoitu 3... 33 Harjoitu 4... 43 Harjoitu 5... 53 Harjoitu 6... 65 Harjoitu 7... 83 Harjoitu 8... 95 Harjoitu 9... 7 Harjoitu... 7 Liämateriaalia ja kurin ilmoitukia löytyy Optiman Piiriteoria II työtilata: http://optima.oulu.fi/ Optimaympäritö on: Oulun yliopito, TTK
VÄLIKOKEET Välikokeet eivät ole pakolliia, mutta niillä voi korvata lopputentin. Graafiet lakimet ovat allittuja välikokeea. Välikokeiden aikataulut ilmoitetaan Optimaa. Välikoe kattaa harj. 5 Välikoe kattaa harj. 6 LOPPUTENTTI Lopputenttiin pitää ilmoittautua. Lopputentiäkin aa olla graafinen lakin. HARJOITUSTYÖ Harjoitutyö on pakollinen ja e on ykilöuoritu. Työä on oaa, joita enimmäinen tehdään MATLAB ohjelmitolla ja toinen oa tehdään LTpicellä. LTpice on monelle tuttu kurita Piiriteoria, mutta MATLAB on uurelle oalle uutta. Googlettamalla löydät paljon tietoa, mutta MATLABin iälläkin on ohjeita aloittelijalle: Aja MATLABin Commandikkunaa komento doc, jolloin aukeaa uui ikkuna "Help". Klikkaa MATLAB ja itten Vaemmata valikota Documentation Getting tarted Suomenkielellä löytyy mm. lyhyt MATLABopa ooitteeta http://math.aalto.fi/~apiola/matlab/opa/lyhyt/ Hyviä eimerkkitiedotoja löytyy luennoitijan Wikiivulta: http://wiki.oulu.fi/diplay/stoftia/octave
Harjoitu. HARJOITUS. KYSYMYKSET. Kirjoita alla olevalle piirille ilmukkavirtayhtälöt matriiimuodoa. H H H V I F I I 3 /F. Kirjoita alla olevalle piirille olmupiteyhtälöt matriiimuodoa. H U U U 3 A F A F 3. Verkon olmujänniteyhtälöt ovat V 4 V 4 V 3 V 4 4 V V 3 V V 3V 3 5 Piirrä yhtälöitä vataava verkko. Verkoa ei ole ohjattuja lähteitä, ainoataan riippumattomia virtalähteitä. 3
Harjoitu 4. Lake kuvan verkon portia ab näkyvä impedani. / / a v v b kuva LASKUHARJOITUKSISSA LASKETTAVA TEHTÄVÄ: 5. Lake kuvaa olevan piirin portita ab näkyvä Thevenin ekvivalenttipiiri aettamalla tähän porttiin tetivirta v in a 4 v in v 8v 3A b kuva VASTAUS: R Thev., V Thev.57V 4
Harjoitu HARJOITUS. PT KERTAUSTA STEADYSTATE VASTEIDEN LASKEMINEN Fouriermuunno pyrkii eittämään aikataon ignaalin f(t) inimuotoiina komplekiooittimina exp(j t). Ooitinlakenta jatkuville inimuotoiille ignaaleille tuli tutuki PT:ä. Tää kuria tutuki tulevaa Laplacemuunnokea on Fouriermuunnokeen verrattuna liätty ekponentiaalinen vaimennu, mikä mahdollitaa ueampien funktioiden muuntamien. Laplacemuunno oveltuu erittäin hyvin jatkuvaaikaiten tranienttiignaalien vateen analyyiin. Laplacemuunnetuia funktioia on mukana aina taajuumuuttuja joka on muotoa j. Tuo kuvaa em. ekponentiaalita vaimennuta. Tätä taajuuvate aadaan ijoittamalla :n paikalle vakioamplitudita inivärähtelyä vataava j. Taulukko : Piirielinten Laplacemuunnoket Impedani Z AdmittaniY L L / (L) C / (C) C R R / R VIRTA JAKAANTUU ADMITTANSSIEN SUHTEESSA G / R Y C C I out I in R C I out I in C G C JÄNNITE JAKAANTUU IMPEDANSSIEN SUHTEESSA R Z C / (C) V V C out V in in V out V out C R C V in RC 5
Harjoitu EKVIVALENTIT JÄNNITE JA VIRTALÄHTEET Z V I V Y Z Z Z Y I Y V ZI Theveninin ekvivalentti tietylle piirille voidaan muodotaa aettamalla piirin tuloporttiin tetivirta I tet ja ratkaiemalla porttiin aiheutuva jännite muodoa: U in U Thev R Thev I tet. (k. PT harj. 4) Vataavati Nortonin ekvivalentti aadaan aettamalla tuloporttiin tetijännite U tet ja ratkaiemalla portin virta muodoa: I in I Nort G Nort U tet. R T I in U Thev U in I tet I Nort G Nort U tet 6
Harjoitu VERKKOYHTÄLÖIDEN MUODOSTAMINEN: Silmukkamenetelmä: Silmukkamenetelmää tuntemattomat virrat jaetaan verkon ilmukoita kiertäviin komponentteihin. Sen jälkeen kirjoitetaan Kirchhoffin jännitelain mukaiet yhtälöt jokaielle ilmukalle. Näin aadaan yhtälöryhmä, jota ilmukoita kiertävät virtakomponentit voidaan ratkaita. Solmupitemenetelmä: Solmupitemenetelmää valitaan tuntemattomiki jännitteiki eri olmujen ja yhden n. kantaolmun väliet jännitteet. Solmupiteyhtälöt kirjoitetaan kullekin olmulle Kirchhoffin virtalain mukainen yhtälö. Näin aadaan yhtälöryhmä, jota olmujännitteet voidaan ratkaita. Matriiimuotoiten verkkoyhtälöiden ratkaieminen: Silmukkavirta ja olmupiteyhtälöt voidaan kirjoittaa uoraan matriiimuotoon. Matriiiyhtälöitä voidaan ratkaita halutut virrat tai jännitteet eimerkiki Cramerin äännöllä, joa käytetään determinantteja. Eim. a 4a 5b 6c 8a b 3c Matriiimuodoa 4 5 6 8 3 A a b c x i y Ratkaitaan muuttuja b Cramerin äännöllä: Sijoitetaan herätevektori y matriiiin A ratkaitavaa muuttujaa b vataavan arakkeen paikalle. Jaetaan edellä muodotetun matriiin determinantti alkuperäien matriiin A determinantilla ja näin aadaan haluttu ratkaiu. y b 4 3 6 8 4 6 4 5 6 5 3 6 8 3 8 3 3rivinen determinantti laketaan kaavalla: a b c d e f g h i a e f h i b d f c d e g i g h 7
Harjoitu OHJATUN LÄHTEEN ABSORPTIO: Ohjattu lähde voidaan muuttaa vataavaki impedaniki, jo ohjauuure vaikuttaa lähteen yli. trankonduktani g m : g m V x V Z x V x Z x x g m V x g m tranreitani r m : I x r Z x V m I x r m I x Z x x r m I x Ohjatun lähteen aborptiota ei käitelty Piiriteoria I kurilla, mutta e on ilmiönä varin helppotajuinen. Kun ohjauuure (virta tai jännite) vaikuttaa ohjatun lähteen yli, voidaan piirtää lähteen paikalle vatuken laatikkomalli. Reitanin (tai impedanin) arvon aat vatuken jännitteen ja virran uhteeta. Eimerkki aborptiota. I x 8, Nyt virran I x uunta on eri, kun jännitteen. Näinpä lähteen ekvivalentti reitani on negatiivinen! 8 I x (amaan tulokeen päädytään lakemalla Nortonin tai Theveninin tetilähteellä) R tot 8 I x 8 Ix 8 I x I x Ix I x Eli kertaukena PT ekata lakarita: Vatuken jännitteen ja virran uuntanuolet pitäiivät olla amanuuntaiia. Jo ne ovat oikeati eriuuntaiia täytyy reitanin arvon olla negatiivinen. Reaalinen vatu ei tähän pyty! 8
Harjoitu TEHTÄVÄ. H H H V I F I I 3 /F Impedanimatriiiin tulee ilmukan varrella olevat impedanit iten, että diagonaalielementille z ii tulee kaikkien ilmukan varrella olevien impedanien umma. Eidiagonaalilla ilmukoiden i ja j väliä olevat impedanit miinumerkkiinä (oletukena että ilmukkavirrat ovat kaikki amanuuntaiiki merkittynä). Kirjoita yhtälöryhmän (matriiin) oikealle puolelle ilmukkaan liittyvät jännitelähteet. Jo ilmukkavirta kiertää lähteen läpi niin että e tulee ulo plunavata, jännite laketaan poitiiviena, muutoin negatiiviena. z z z 3 I U z z z 3 I U z 3 z 3 z 33 I 3 U 3 I I I 3 Eli: kun lähteet ovat riippumattomia jännitelähteitä, ilmukkayhtälön voi kirjoittaa uoraan matriiimuotoon 9
Harjoitu TEHTÄVÄ. H U U U 3 A F A F Admittanimatriii: diagonaalielementeiki y ii tulee kaikkien olmuun i liittyvien konduktanien umma ja elementiki y ij tai y ji olmujen i ja j väliet admittanit miinumerkkienä. Kirjoita yhtälöryhmän (matriiin) oikealle puolelle olmuun liittyvät virtalähteet. Tuleva virta on plu ja lähtevä miinumerkkitä. U U U Eli: kun lähteet ovat riippumattomia virtalähteitä, olmuyhtälön voi kirjoittaa uoraan matriiimuotoon
Harjoitu TEHTÄVÄ 3. V 4 V 4 V 3 } V 4 V 4 V 3 V V 3V 3 5 matriiimuodoa: 4 4 4 4 3 V V V 3 5 4 4 4 4 3 y y y 3 y y y 3 y y 3 y 3 33 Solmupiteyhtälöä tarkateltavan olmun ekä toien olmun välinen admittani merkitään matriiin eidiagonaalioalle miinumerkkienä. Tarkatellaan enin admittanimatriiin eidiagonaaliia elementtejä. Ne kertovat olmujen väliitä admittaneita. Ympyröidyt numerot tarkoittavat olmupiteitä. y y 4 y 3 y 3 y 3 y 3 4 F 3 F 3 Sitten tarkatellaan matriiin diagonaalioaa y 4 F 4 3 Matriiin diagonaalioa on ii kuhunkin olmuun liittyvien admittanien umma. Admittanien umma vataa rinnankytkettyjä admittaneja. Solmuun liittyvät ii F:n kondenaattori ja 4 :n vatu. Se, mihin olmuun kukin komponentti liittyy, elviää tarkatelemalla admittaneja y ja y 3.
Harjoitu Tehdään vataavat päättelyt myö termeille y ja y 33 : y 4 F 4 H 3 3 y 33 3 F F Termiä y eiintyy kelan admittani. Edellieltä ivulta huomataan, että numeroitujen olmujen välillä ei ole keloja, joten e liittyy maahan. Virtalähteitä on kaki kappaletta ja ne liittyvät olmuihin ja 3. Piirretään verkko diagonaalioan ja pääteltyjen olmunumeroiden avulla F 4 F 3 A H 5A
Harjoitu TEHTÄVÄ 4. / / a v v b. tapa: Käytetään lähdeaborptiota Kahdennetaan aluki ohjattu virtalähde, jolloin aadaan ohjaujännite vaikuttamaan alemman lähteen yli: / / v v v / / v / v / / z v v 3
Harjoitu Seuraavaki muunnetaan jäljellä oleva epäideaalinen virtalähde epäideaalieki jännitelähteeki, johon voidaan taa oveltaa lähdeaborptiota. / / / / i x v o v v zi v v v z v x i x v v / 3/ 7/ 4
Harjoitu TEHTÄVÄ 4.. tapa: Muodotetaan verkon Nortonekvivalentti ilmukkavirtamenetelmällä aettamalla tuloon tetijännite v tet. Muunnetaan piiriä oleva epäideaalinen virtalähde vataavaki jännitelähteeki / / I I N G N v tet v I v o I v tet Silmukkamatriiit: 5 3 I v I v tet v v lauuttuna I :n avulla on I x I Sijoitetaan ja iirretään ilmukkavirrat yhtälön vaemmalle puolelle: 5 3 I I v tet I I 3 I I v tet I v v tet tet v tet A 3 7 7 v tet 4 3 /7S A 5
6 Harjoitu
Harjoitu. HARJOITUS. KYSYMYKSET. Lake euraavien funktioiden Laplacemuunnoket. e at t a) b) t c) e at d) co t e) in f) u t a (kannattaa myö opetella, miten tehtävän muunnoket löytyvät ivun taulukon avulla). Lake euraavien funktioiden Laplacekäänteimuunnoket. a) b) c) d) 3 4 3. Lake kuvan piirin jännitteen v (t) aikavate käyttämällä Laplacemuunnota. 4. Kirjoita kuvan piirille olmupiteyhtälö, joa kaikki mahdolliet alkutilat ovat mukana. LASKUHARJOITUKSISSA LASKETTAVAT TEHTÄVÄT: 5. Kuvan 3 piiriä virran i in (t) Laplacemuunno on J/, miä J on vakio. Lake virta i out (t), kun t ja i out () A. (Oakoetehtävä 7) 6. Lake euraavien funktioiden Laplacekäänteimuunnoket. 3 a) b) c) 4 3 3 Huom. c)kohdaa ei laketa oamurtoja, koka funktio voidaan muokata iten, että muunnotaulukkoa voidaan käyttää uoraan: G Vatauket teht. 5: a) R t L i out t J e teht. 6: a) b) c) d),5e t e t,5e 3t e t te t e t co t in t t 4e t 7e 3t 3e 3t 3e 4t 7
Harjoitu nf k u(t) {, kun t <, kun t k 5u(t) v V Tranitorin ijaikytkentä: kollektori kanta i b kollektori kanta i b emitteri emitteri Kuva L v in C R v Kuva i out (t) i in (t) R L Kuva 3 8
Harjoitu HARJOITUS. RATKAISUT LAPLACE MUUNNOS Määritelmä: L f t f t e t dt F () Termi on komplekinen taajuumuuttuja, joten e t on komplekinen ekponentiaali. Muutujalla on reaalioa ja imaginaarioa : j. Fouriermuunnokea ei ole em. reaalioaa: Fmuunno mallintaa ignaaleja inimuotoiilla ignaaleilla. Reaalioan avulla Laplacemuunnokea mallinnetaan ignaaleja ekponentiaalieti kavavilla tai vaimenevilla iniignaaleilla. Käyttö: muunno aikatao komplekinen taajuutao (mm. verkkoyhtälöiden muodotaminen, taajuu ja tabiiliuutarkatelut) Käytännön lakutehtäviä kaavaa () ei käytetä, vaan turvaudutaan muunnotaulukkoon, ivu. LAPLACE KÄÄNTEISMUUNNOS Käyttö: differentiaaliyhtälöiden ratkaieminen: muunnetaan Laplacemuunnettu (taajutaon) ratkaiu aikataoon. Merkintätapa: L F f t. Lakutehtäviä Laplacemuunnetut muuttujat kannattaa elkeyden vuoki kirjoittaa iolla. Eim. muunnotaulukoa x(t):n Laplacemuuno on X(). Matemaattieti käänteimuunno on vaikeahko tehdä, joten käänteimuunno tehdään taulukoiden avulla, k. ivu. Uein käytetään oamurtokehitelmää, jotta käänteimuunno pelkityii mahdolliimman ykinkertaiiki ummatermeiki. OSAMURTOKEHITELMÄ Laplacemuunnoken lineaariuuominaiuu (k. muunnotaulukko.) mahdollitaa en, että kun Laplacemuunnettu funktio jaetaan oamurtoihin, kullekin oamurtotermille voidaan hakea erikeen vataava käänteimuunno taulukon avulla. Y Y Olk. H, () G p p... p n p p p n HUOM: Oamurtokehitelmä on mahdollita, jo ooittajan Y() ateluku < nimittäjän G() ateluku. Tällöin kertoimet A, A,..., A n voidaan määrittää joko: Laventamalla yhtälön oikean puolen termit amannimiiki ja merkitemällä ooittajat yhtäuuriki tai Heaviiden menetelmällä (euraava ivu). Jo navat ovat moninkertaiia, käytetään mieluimmin jälkimmäitä. Jo Y():n ateluku G():n ateluku muokataan yhtälö käyttökelpoieen muotoon jakamalla kunne oamäärän ateluku < nimittäjän (vrt. tehtävä d) A A A n 9
Harjoitu Huomaa kaavan () eitytapa. Kyeinen verkkofunktion eitytapa on n. nollanapa eity, joka oveltuu ivun muunnotaulukon käyttöön. Liää verkkofunktioiden eitytavoita kannattaa lukea luentomateriaalita, kappale 5.3. OSAMURTOKEHITELMÄ HEAVISIDEN MENETELMÄ Lakueimerkeiä käytetään uein Heaviiden menetelmää. Nollanapamuodoa oleva verkkofunktio () kerrotaan ko. navalla ja tämän tulon arvo laketaan arvolla p i. A i H p i pi (3) Jo funktiolla H() on rkertainen napa /(p ) r, itä varten oamurtokehitelmään on kirjoitettava termit H Y G Y p r K K K... r p p p r (4) miä K n r n! r n d d r n Y p r G p (5) Jo r : K K d d Y p G Y p G p p SINI JA KOSINIFUNKTIOT KOMPLEKSIOSOITTIMILLA (EULER) Toiinaan käänteifunktion ratkaiu aadaan elkeämpään muotoon, kun käytetään ini ja koinifunktion komplekiooitineitytä. Kyeiet kaavaat aadaan johdettua Eulerin kaavalla: e j t t co j in t in t e j t e j t j co t e j t e j t
Harjoitu Tämä taulukko on perinteieti ollut liitteenä lopputentiä Taulukko : Yleiimpia Laplacemuunnokia x(t) X() impuli (t) ykikköakel tai u(t) / ramppi t / n: poteni t n n! / n a: poteni (a>) t a / (a) / a / ( t) / ekp.funktio e at / (a) e at a / ((a)) t n e at n! / (a) n ini in( t) / ( ) koini co( t) / ( ) inh inh(at) a / ( a ) coh coh(at) / ( a ) lineaariuu ax(t) by(t) ax() by() taajuuiirro e at x(t) X(a) aikaiirro x(tt) e T X() aikaderivaatta dx(t) / dt X() x() n: aikaderivaatta d n x(t) / dt n n X() n x() n x () ()... x (n) () aikaintegraali t x t dt X x t d t konvoluutio t x g t d o G()X() taajuuderivaatta (t) n x(t) d n X() / d n
Harjoitu Laplacemuuunnoken merkity Laplacemuunnoken merkittävimpiä ominaiuukia on, että muunnota käyttäen integrointi ja derivointi muuttuvat taajuumuuttujalla jakamieki ja kertomieki. Integrointia ja derivointia ei ii tarvita, vaan differentiaaliyhtälöt palautuvat lineaarieki yhtälöryhmäki, jota haluttu lähtöuure voidaan ratkaita matriiialgebran keinoin. Saatu tulo on taajuumuuttujan funktio, joka on itten pilkottava eim. oamurtokehitelmänä niin pieniin oiin, että jokaielle ummatermille löytyy käänteimuunno. AIKAVASTEIDEN LASKEMINEN ALKUEHTOINEEN Taulukon 3 kaavoja käyttämällä aadaan perukomponenttien virtajänniteyhtälöt alkuehtoineen muotoon, jotka voidaan ijoittaa uoraan ekä olmupite että ilmukkavirtayhtälöihin. Taulukko 3: Komponenttien virtayhtälöt alkuehtoineen U() I() R L C R I G U L I Li U i L I u C C U Cu Tentiä voi tarvita taulukon 3 kaavoja, mutta niitä ei tarvite opetella ulkoa. Niitä ei anneta tentiä, mutta kaavat aadaan johdettua helpoti edellien ivun taulukota aikaderivaatan Laplacemuunnokella: aikaderivaatta dx(t) / dt X x() Laketaan enin kapaitanin virtayhtälölle Laplacemuunno i C t C du C t Laplacemuuunnetaan dt I C C U C u C C U C Cu C Vataava jänniteyhtälö aadaan ratkaiemalla U C () edellietä tuloketa: I I C C U C Cu C U C C u C C Vataavat lakelmat induktanille, aloitetaan jänniteyhtälötä: u L t L di L t dt (ratkaie ite...)
Harjoitu TEHTÄVÄ. a) L e t d t b) L t te t d t Käytetään oittaiintegrointikaavaa: u v uv uv Nyt t v ja e t u, joten e t e a)kohdaa on kyeeä n. ykikköakelfunktio, jota uein merkitään funktiolla u(t) ykköen aemeta. u(t) {, kun t <, kun t Jo vaikkapa Laplacemuunnetaan vakio A, muunnokeki tulee A / eli A/. te t dt t e t e t dt e e e t d t a)kohdan peruteella c) L e at e at e t dt e a t dt a e a t () Nyt kun < a, integraali ei uppene > a, integraali uppenee Oletetaan > a () a e e a a d) L co t? Käytetään koinin komplekiooitin eitytä co t e j t e j t co t e t dt e j dt t e j t j j e j 3
Harjoitu e:n potenien reaalioat ovat negatiiviet laueke uppenee j j j j j j e) L e at in t e at in t e t dt Käytetään inin komplekiooitin eitytä in t e j t e j t j t e j t e j t e t d j e a t e j a j t e t dt e j a t e t dt e j a t dt e j a j t dt j e j a t j a e j a t vrt. d)kohta j a j j a j a j j a j a j j a j a a j j a a f) L u t a Kyeeä on viivätetty ykikköakelfunktio u t a t a t a a t L u t a e t dt a a e t e e a e a vrt. a)kohta 4
Harjoitu Tehtävä. Jaetaan muunnolauekkeet oamurtoihin, joiden käänteimuunnoket nähdään taulukota a) L 4 F 4 4 A B 4. tapa: Lavennetaan amannimiiki: F A 4 B A 4 B 4 A B 4A A B B A A 3 B 3 F 3 Joten L 4 F 3 e 4t vrt. a) ja c). tapa: Heaviiden kaavalla: A F 3 4 4 B 4 F 4 4 4 4 f t kuten edellä b) L Jaetaan oamurtoihin F A B C 5
Harjoitu Heaviiden kaavalla: A F B F C d F d d d F f t L F te t e t c) L Oamurto: F j j j j Nähdään, että j ja j ovat kakinkertaiia nollakohtia, joten oamurtokehitelmäki tulee: F A B C D j j j j A j F j j j j 4 B d j F d d d j j 3 j 3 j j j 4j C j F j j j j 4 D d j F d d d j j j j 3 j j 3 4j F 4 4j 4 4j j j j j 6
Harjoitu f t te jt 4 e jt 4j 4 te jt e jt 4j t ejt e jt ejt e jt j Käyttämällä inin ja koinin komplekiooitin eitytä f t t cot int d) L Ooittajan ateluku > nimittäjän ateluku jaetaan 3 v in 3 3 Tehtävä 3. R v V v in F f t t t t e t Käytetään tranitorin tilalla ykinkertaita ijaikytkentää C R i R C i b i c i b i v R V v in (t) 5u(t) Rk Rk v o t V R i i i b i c i b i b i i c CnF 5 C R t d d vo t, miä u(t) {, kun t <, kun t Tarkatellaa oikeanpuoleita ijaikytkentää Kiinnotava uure on v, kun t, joten u(t):n voi aettaa ykköeki. v o t R 5 C d vo t R dt jota 5R v o t d R R C vo t dt 7
Harjoitu Differentiaaliyhtälö johdettiin kuten PT:ä pelkätään vertailun vuoki. Aloitetaan dctilanteen tarkkailulla, että aadaan alkutila elville. Tämä on tuttua puuhaa... Kondenaattorihan on dctilanteea avoin piiri, joten i c (). Myö i b, koka ini ja akefunktio ovat nollia kun t. Koka ii b, R on virraton ja v o () V i R i b i c i b i v R V Lähdetään alkuperäietä piirikaaviota eli muodotetaan yhtälö kuten edelliellä ivulla. Erona on e, että käytetään Laplacemuunnettuja virtoja ja jännitteitä. x(t) X() d v t V v dt o o Nämä uureet ovat ii komplekien taajuumuuttujan funktioita, ja ne kirjoitetaan elvyyden vuoki iolla. K (vakio) K DCjännitelähde on aikataoa vakio, ja Lmuunnettuna e on vakio jaettuna eli tulkitaan akelfunktioki. K v t K V V o R I I I b I c I b I b I I c L 5 C d vo t R dt 5 R C V v alkutila, V V o R I b V o R 5 R C V v 8
Harjoitu Laketaan ama Laplace muunnokella Käytetään kompenettien lukuarvoja ja ratkaitaan V (): V V v 4 3 3, v () akohdata 4 3 V 3 (3) 3 4 3 Tehdään oamurto termille 3 4 3 A B 3 3 A 4 3 4 3 4 3 B 4 (3) V 4 4 5 3 3 3 V 45 4 3 Lopuki Laplacekäänteimuunno: v t 45e t 4 X() x(t) 45 3 45e t 4 4 9
Harjoitu Tehtävä 4. Kuvan piirille olmuyhtälö alkuehtoineen. Solmupitemenetelmää kirjoitetaan kuhunkin tuntemattomaan olmujännitteeeen liittyvien virtojen umma. Alkutilat ovat kelan virran alkutila ja kondenaattorin jännitteen alkutila, i() ja v (). L v in C R v R L C G I() U U i L C U Cu vatau: V V in V i C V Cv L R Toiinaan tentiä on tehtäviä, joa piiriä on nollata poikkeava alkutila. Tällainen tehtävä ei ole vaikea, kun hokaat miten taulukon 3 (ivu ) virta ja jännitekaavat aadaan johdettua. Jo piiriä on nollata poikkeava alkutila, ratkaiua ei voida käyttää eim. jännitejaon tai virtajaoin kaavoja. Kirchhoffin lait eli olmupite ja ilmukkavirtamenetelmät toimivat tää tapaukea. Jo alkutilat ovat nollia, poita alkuarvoja iältävät termit. Nollaalkuarvoilla myö jännitejaon tai virtajaon kaavaa voidaan käyttää. Tätä eimerkkeina euraavan ivun laku ja tehtävä 6. Harjoitukea laketaan tehtävän 4 piirille jännitteeniirtofunktio. Siirtofunktioiden tapaukea alkutilat oletetaan automaattieti nolliki. Nyt aatua tulota voi käyttää apuna (aeta alkutilat nolliki). 3
Harjoitu YLIMÄÄRÄINEN ESIMERKKI RCpiirin akelvate lakettiin PT:n harjoitukea 6. Vataava laku käyttäen Laplacemuunnota menee näin: R u in (t) C u out (t) u c () V u in t E, kun t {, kun t < joten U E in U out U C E C E RC E in R C R C RC RC RC x(t) e at X() a a t RC u out t E Ee Jännitejaon kaavaa voitiin käyttää, koka alkuehto oli nolla. (muutoin käytetään olmupite tai ilmukkavirtayhtälöitä) Ratkaiu löytyii myö oamurtokehitelmällä, mutta itä ei nyt tarvittu koka tarvittu muunnopari löytyi taulukota. Vataavanlainen Laplacemuunnopari oli myö tehtävää 3b. Siinä käytettiin oamurtokehitelmää, jotta Laplacemuunnettu verkkofunktio aataiiin mahdolliimman ykinkertaieki käänteimuunnota varten (ooittajaa 3 ). Entäpä jo u c () oliikin nollata poikkeava? Tällöin käytetään Kirchhoffin lakeja, kuten edelliellä ivulla ohjeitettiin. Kokeillaan molempia, eli kirjoitetaan yllä olevalle piirille ekä olmuettä ilmukkayhtälö (piirrä kuvaan maaolmu JA ilmukkavirta I() myötäpäivään): Solmuyhtälö Silmukkayhtälö U out U in U R out C C u c I u R I c U C in Kumpaa yhtälöä kannattaa käyttää? Riippuu iitä mitä ollaan ratkaiemaa: jännitettä tai virtaa. Yllä olevata olmuyhtälötä pitäii aada ama tulo u out (t), kun u c () merkataan nollaki. 3
3 Harjoitu
Harjoitu 3 3. HARJOITUS. KYSYMYKSET. Lake kuvan piirille a) Yleinen tranienttivateen Laplacemuunno. b) acjänniteiirtofunktio V /V in. c) Lähtöjännitteen ooitin taajuukilla Hz ja khz, kun tulojännitteen ooitin on º. d) Jänniteiirtofunktion V /V in nollanapakartta.. Yhditä kuvan akelvateet ja nollanapakartat (a) (b) (c) (d) x x x x x /4 x /4 /4 x x ().8.6 ().6.5.4.4..3... (3).4 5 5.8.6.4...4.6.8 5 5 (4) 5 5.4..8.6.4. 5 5 Kuva LASKUHARJOITUKSISSA LASKETTAVA: 3. Lake kuvan 3 piirille lähtöjänniteen ooitin taajuudella rad/ ja rad/ ja piirrä jänniteiirtofunktion nollanapakartta. Tee tämä kumpaiellekin komponenttiarvoille a) ja b). Viime lakuharjoitukea lakettiin piirille 3 olmuyhtälö alkutiloilla. Tulota voidaan käyttää tää tehtävää (merkite alkutilat nolliki). 33
Harjoitu 3 nf k v in k v V kollektori kanta i b kollektori kanta i b emitteri emitteri Kuva co( t /4) L C R v a) b) C F L /H R /3 C /F L /H R / Kuva 3 Vatauket: Teht. 3: rad/ rad/ a) V.63 7 V. 8 b) V.8 8 V.4 34
Harjoitu 3 HARJOITUS 3. RATKAISUT TEHTÄVÄ. a) Harj. tehtävää 3 aadaan herätteellä vin(t) piiriä kuvaavaki differentiaaliyhtälöki aikaalueea: v o t V R vin t d C vo t dt R Lmuunnettuna: d vo t dt V v v o t R C V R C V R C V R C v in t R C 4 V in ijoitetaan: R k R k C nf ja v ()V V 4 4 V 3 in 3 3 Tehdään oamurto termille 4 3 4 A B 3 3 4 A 3 B 4 V 4 V 3 in 3 3 4 V in 3 35
Harjoitu 3 TEHTÄVÄ b) Acjännitteeniirtofunktio a) kohdaa V v V V 3 V 4 V R C in Taajuuvateen analyyiä oletetaan, että piirin kaikki alkutranientit ovat vaimenneet ja vate on kokonaiuudeaan pakotettua acvatetta (n. teadytate tilanne). Poitetaan dcjännitelähteen vaikutu ekä alkuehto v o () V v V V 3 V 4 V R C in V o 3 4 V in V o 4 V in 3 V o V in 4 j 4 j 36
Harjoitu 3 TEHTÄVÄ c) Tulojännitteen ooitin V o 4 j 4 8 atan 4 8 8 47 47,9 8 3, V o 4 8 4 8 57 99,9 j 8, d) V o V in 4 nollanapakartta Imag napa: (reaalinen) x Real nolla: (reaalinen) TEHTÄVÄ (a) x Navat piteiä j x H p p j j 37
Harjoitu 3 Akelvateen Lmuunno: L u t R k k k 3 j j k R k j R j j j j j 4 k 3 j R j j j j j j j j j 4 R j j 4 4 j j L R r t j e 4 j t j e 4 j t e 4 j t j e j 4 t e 4 j t j e 4 j t e t 4 ejt e jt j e t 4 ejt e jt e t e jt e jt e t e jt e jt j e t co t e t int e t co t in t vataa akelvatetta () 38
Harjoitu 3 b) Muodotetaan aluki verkkofunktio (kuten akohdaa), jolle laketaan vate, kun tuloherätteenä on akelpuli. x /4 x Navat piteiä (/4 j) ja (/4 j), nolla nollaa F j j 4 4 R F 6 6 Kerrotaan F() akelvateen Lmuunnokella / Tehtävä on helpointa ratkaita kirjoittamalla R() ekponentiaalieti vaimenevan iniaallon L muunnota vataavaan muotoon (huom! komplekiet napaparit aiheuttavat aina inimuotoien vateen): L e at in t R c) a jonka käänteimuunno on r t e 4 vataa akelvatetta () (vaimeneva inivärähtely, jonka vaiheiirto ) t 4 in t x /4 x Navat piteiä (/4 j) ja (/4 j) 39
Harjoitu 3 F R j j 4 4 F 6 6 Tehtävän voi ratkaita kokonaan Heaviiden kehitelmällä, mutta tää tapaukea en käyttö vaatii paljon lakemita johtuen komplekiita navoita (ja inimuotoieta vateeta). Ratkaitaan tehtävä helpommin kirjoittamalla toien ateen termi yleitä vaimenevan iniaallon Lmuunnota vataavaan muotoon (myö edellien tehtävän voi lakea näin): R k a b 6 Laketaan vakio k Heaviiden menetelmällä: 6 k R 7 Laketaan euraavaki a ja b käyttämällä k :tä ja laventamalla amannimiiki: k a b k 6 a k 7k b 6 { k a k b { a k b k 6 7 8 7 Kirjoitetaan euraavaki. ateen termi inin ja koinin Lmuunnokia vataavaan muotoon (vrt. edellieen tehtävään): 6 8 7 7 6 k k 3 4 4 4 6 7 8 k k 7 3 k 3 4 { k 6 3 7 R k 4 7 6 7 4 6 7 7 4 4 4 4
Harjoitu 3 r t t t 6 4 4 e t 6 4 in e co t 7 7 7 6 7 t 4 e 4 in t 6co t 7 akelvate (4) (lähetyy T:n kavaea arvoa 6/7 ) d) x /4 x Navat piteiä (/4 j) ja (/4 j), kakinkertainen nolla nollaa F R j j 4 4 F 6 6 Kirjoitetaan R() jälleen vaimenevan inin ja koinin Lmuunnokia vataavaan muotoon: k k R 4 k k k { k 4 k 4 4 4 R 4 4 r t e 4 4 akelvate (3) (lähetyy T:n kavaea nollaa) t 4 in t co t 4 4
4 Harjoitu 3
Harjoitu 4 4. HARJOITUS. KYSYMYKSET. Yhditä kuvan piirien jännitteeniirtofunktiot V out /V in kuvan nollanapakarttoihin. Numero nollanapakartan kirjaimen perää kertoo, montako piiriä kyeieen karttaan liittyy. Kuvan komponenttiarvojen ykiköt ovat ohmeja, henryjä ja faradeja. Lukuunottamatta piirejä (6) ja (4) tulo on vaemmalla ja lähtö oikealla. a () () (3) / (5) (4) (8) v in (6) v out / / (7) (9) / / () () / / (4) /3 () (3) v in v out / Kuva 43
Harjoitu 4 nolla (ooittajan nollakohdat) x napa (nimittäjän nollakohdat) (a,) (b,3) (c,) x x x (d,) x x.6.38 (e,) x j x j (f,) x (g,) x j (h,) x j (i,) x j j x j x j x j j Kuva Piirien () ja () nollanapakartat ratkaitaan lakuharjoitukia. Liäki laketaan ylimääräinen tehtävä 44
Harjoitu 4 HARJOITUS 4. RATKAISUT OPERAATIOVAHVISTINKYTKENTÖJEN ANALYSOINTI Oletetaan operaatiovahvitin ideaalieki, jolloin. Tulonapojen impedani. Operaatiovahvitimen jännitevahvitu 3. Tulonapojen välinen jännite (eurau kohdata ) 4. Lähtöimpedani Analyoidaan piiri () näiden oletuten pohjalta V in I R I V I 3 C C I 4 R V x V out R / R C F C F Oletuken 3. peruteella jännite V x, koka poitiivinen tulonapa on maadotettu. Sovelletaan Kirchoffin virtalakia piteeeen V. I I I 3 () V I in V V I V out V,, I V 3 x C C R V C () V in V C V V out C V () R Oletuken. peruteella I 3 I 4, koka operaatiovahvitimen äärettömään tuloimpedaniin ei mene virtaa. V C V x V out V out V V out (3) R C R R () & (3) V in R V out R R C C V out C R C V out C V out R C 45
Harjoitu 4 V out V in R C R C C R R C C Sijoitetaan R /, R, C F, C F V out V in Nimittäjän nollakohdat: 4 4 j j V out V in j j nolla nollaa navat j ja j Vataa kuvan nollanapakarttaa (e) Piiri () V out Z V out V V in in Z Jännitejaon peruteella V out V in Z Z Z Z C R C R R, Z R C R R C V out V in R R R R C R R R R R R C R C R R C R R C R C R R R R C R C R C R C nolla napa vataa nollanapakarttaa (c) 46
Harjoitu 4 (3) C R C F V in R V out V out R RC kartta (b) V in R C RC RC (4) R R V I C C V V out /C * I in out I? I R C F Laketaan I V in R C C C R C I I, jota I R C V in C C V in R C C R 3R C C R C C CV in RC 3RC I V out C V in RC 3RC V out V in RC 3RC 3,6,38 kartta (d) 47
Harjoitu 4 (5) V in C R R R R C F I I I I V out V I in V, I out C R R R V in C V out R V out V in R R C RC R R kartta (b) (6) V in R a R v out b R C R R R C F R V a V, R R in V in V C b R V V C in RC in V out RC RC V in RC RC RC kartta (f),5 48
Harjoitu 4 V in (7) R / R / I v I out C F V in R C I R I V I in V, I out V in C R R V out R V in C R C R V out R C V C R R R R C R R in R C R C R R C kartta (c) (8) V in C L V out C F L H V out V in L LC L C LC LC j j LC LC j j kartta (h) (9) V in R C L V out C /F L H R V out V in L L C C L C R L R L C C L C L C R C RL L C 49
Harjoitu 4 L RCL L R RC RC LC kartta (e) () Z V in Z R R C V out R R C F Piirin (5) pohjalta voidaan johtaa lakuääntö invertoivalle operaatiovahvitinkytkennälle: R C R V out Z R C R C R C R C R C V in Z R R kartta (a) (3) R V in R C V out R C F V out V in C RC R C RC RC kartta (a) 5
Harjoitu 4 (4) V in R a R v out R 3 b R R /3 R R 3 R L H C /F L C R V a V 3 R R in V 4 in V R L C b V LC RC R 3 R L C in V in LC C R R 3 R L LC V R R in 3 L LC V in V out V in V a 3 4 4 V in V b V in 4 j j 4 j j kartta (i) 5
Harjoitu 4 H4 YLIMÄÄRÄINEN TEHTÄVÄ: TENTTITEHTÄVÄ 7.4. 6 Lake kuvan 3 piirin lähtöjännite v out (t), kun t ja v in (t) on ykikköakelfunktio. Piiriin ei ole varatoitunut energiaa hetkellä t (eli laketaan nollaalkuehdoilla). Voit käyttää apuna taulukkoa 5. F vin F k vout Kuva 3 Taulukko 4: Joitain Laplacemuunnopareja x(t) X() ykikköimpuli (t) ykikköakel u(t) / ramppi t / ekp.funktio e at / (a) ekp.funktio t n e at n! / (a) n 5
Harjoitu 5 5. HARJOITUS. KYSYMYKSET. Kuvaa on edellien harjoituken nollanapakartat ja niihin liittyvät piirit iirtofunktioineen. Kuvaa on kaikkien piirien taajuuvateet eli amplitudi (mag) ja vaihe (phae) taajuuden funktiona. Vaiheen ykikkönä on ate. Päättele iirtofunktion avulla, mitkä vateet ja piirit vataavat toiiaan. (a) () (3) x V out V in V out V in (b) (5) () / x V out V in V out V in,5 / (c) () (7) x / / V out V in Kuva V out V in 53
Harjoitu 5 (d) (4) x x.6.38 V out V in 3 (e) x j x j () / V out V in V out V in (9) / (f) (6) x V out v in v out V in,5 (g) x j () x j / V out V in (h) x j (8) V out V in x j (i) x j j (4) /3 v in v out V out V in,5 x j j / Kuva 54
Harjoitu 5 ().5 Mag ().5 Mag 3 4 5 6 7 8 9 (rad/) 8 35 Phae 9 45 3 4 5 6 7 8 9 (rad/) (3) (4).5 Mag.5 3 4 5 6 7 8 9 45 Phae 9 35 8 3 4 5 6 7 8 9 (rad/) Mag.5 3 4 5 6 7 8 9 (rad/) 45 9 Phae 45 3 4 5 6 7 8 9 (rad/) Phae 35 8 3 4 5 6 7 8 9 (rad/) (5) (6) Mag.5 3 4 5 6 7 8 9 (rad/).6.5.4.3 9 3 4 5 6 7 8 9 (rad/) Mag. 3 4 5 6 7 8 9 (rad/) 8 35 Phae 8 35 9 Phae 9 45 3 4 5 6 7 8 9 (rad/) 3 4 5 6 7 8 9 (rad/) Kuva 55
Harjoitu 5 (7) (8).4.3.5.. 8 9 9 Mag 3 4 5 6 7 8 9 (rad/) Phae 8 3 4 5 6 7 8 9 (rad/) (9) ().8.6.5.4 3 4 5 6 7 8 9 (rad/) 5 5 Mag Phae 3 4 5 6 7 8 9 (rad/) 5 Mag.5 Mag 3 4 5 6 7 8 9 (rad/) 8 35 Phae 9 45 3 4 5 6 7 8 9 (rad/) 3 4 5 6 7 8 9 (rad/) 5 5 Phae 3 4 5 6 7 8 9 (rad/) ().5 Mag ().8.6.4 Mag 45 9 3 4 5 6 7 8 9 9 45 (rad/) (rad/) Phae 3 4 5 6 7 8 9 Kuva. 3 4 5 6 7 8 9 (rad/) 9 45 Phae 3 4 5 6 7 8 9 (rad/) 56
Harjoitu 5 HARJOITUS 5. RATKAISUT TAAJUUSVASTE, SIIRTOFUNKTIO JA NOLLANAPAKARTTA: Taajuuvateella tarkoitetaan piirin teadytate vatetta (amplitudi ja vaihevate) inimuotoielle tuloignaalille. Sen voi aina lakea uoraan iirtofunktiota ijoittamalla :n paikalle j ja lakemalla iirtofunktion iteiarvo ja vaihe eri :n arvoilla. Tehtäväpaperita nähdään, että amalla nollanapakartalla voi olla ueita eri piiritoteutukia ja iihen voi liittyä ueita iirtofunktioita riippuen vakiotermitä. Tämän vuoki tietyn piirin aboluuttita vaihe ja amplitudivatetta ei voi määrittää pelkätään nollanapakartan peruteella, vaan myö vakiotermi täytyy tuntea. Vakiotermin iteiarvon muuttuminen vaikuttaa vain amplitudivateeeen, kun taa vakiotermin merkin muuttuminen vaikuttaa ainoataan vaihevateeeen. Amplitudi ja vaihevateen perumuoto voidaan kuitenkin aina päätellä pelkän nollanapakartan peruteella, koka iihen vakiotermin muuttuminen ei vaikuta. Kuvaa 3on erä nollanapakartta ja itä vataava iirtofunktion H iteiarvo. Iteiarvokuvaaja on 3ulotteinen, koka nyt komplekiella taajuumuuttujalla on reaali ja imaginäärioa. Navat ovat pinnan kohtia, joia H( j ) ja nollat kohtia, joia H( j ). Reaalioa vataa aikataoa ekponentiaalieti vaimenevaa tai kavavaa termiä. Nyt kun vate on jatkuva ja inimuotoinen, reaalioa on nolla. Siniherätteen graafinen taajuuvate iten on 3ulotteien pinnan leikkau j akelia pitkin (kuva 4a). Yleenä taajuuvatetta lakettaea käytetään vain poitiiviia :n arvoja, kuten kuvaa 4b. Tää harjoitukea etitään iirtofunktiota vataava taajuuvateen kuvaaja. Käytännöä tämä tapahtuu lakemalla iirtofunktiota valikoiduilla taajuukilla iteiarvo ja vaihe. Muitin virkitämieki euraavalla aukeamalla on kertauta ooitinlakennan äännöitä. 57
Harjoitu 5 j navat nollat j H( j ) 5.5.5 j eli Im akeli eli Reakeli Kuva 3. (a) H() :n leikkau j akelin kohdalta j (b) H().5 likimääräinen amplitudivate (iteiarvo) j Kuva 4. 58
Harjoitu 5 z x jy A x y arc tan y x komplekinen vektori (uorakulmainen muoto) vektorin pituu vektorin vaihekulma z Ae j A A co j A in komplekinen vektori (ooitinmuoto) Imag j 8 o Reaalien ja negatiivien vektorin vaihekulma on 8 o. Imag 7 o j 7 o 9 o j 8 o Real 9 o Real j j Jo laketun vaihekulman iteiarvo on > 8 o, valitaan yleenä vatakkainen kiertouunta. z x jy A z x jy A Summau z z x x j y y Erotu z z x x j y y Kertolakut z z A A A A jakolakut z z A A A A poteniin korottaminen z n n A A n n 59
Harjoitu 5 PIIRI (), j j 8 o arc tan 8 o 5 5 7 o 74 o 8 o 45 o,7 35 o 8 o 84 o, 96 o Nähdään, että ainoa lakettuja amplitudi ja vaihearvoja vataava tehtäväpaperin taajuuvate on numero (5). (5) Mag.5 4 6 8 (rad/) 8 35 Phae 9 4 6 8 (rad/) 6
Harjoitu 5 PIIRI (3) Jänniteiirtofunktio eroaa edellietä vain vakiotermin etumerkin oalta, joten en amplitudivateen täytyy olla ama, kuin piirillä (). Myö vaihevateen muoto on ama, mutta arvot ovat 8 :een vaiheiirroa edellieen. Näiden ehtojen peruteella piirin (3) taajuuvate on numero (4). (4).5 Mag 45 4 6 8 (rad/) Phae 9 4 6 8 (rad/) PIIRI (5), > j j j 8 o 9 o arctan o 9 5 5 7 o 95 7 o o 9 45 o,4 35 o o 9 84 o 74 o 6
Harjoitu 5 taajuuvate () ().5.5 Mag 3 4 5 6 7 8 9 45 9 Phae 35 8 3 4 5 6 7 8 9 (rad/) PIIRI (),5 Siirtofunktio eroaa piiritä (3) ainoataan vakiotermin oalta. Suurilla taajuukilla iteiarvo lähetyy arvoa.5. piiriä vataa taajuuvate () ().8.6 Mag.4. 4 6 (rad/) 8 9 Phae 45 4 6 8 (rad/) 6
Harjoitu 5 Laketaan loputkin tehtävät ijoittamalla :n paikalle,rad/, rad/ ja rad/. Iteiarvojen ja vaiheiden lakemien jälkeen etitään vataavat taajuuvatekuvaajat. Voit haluteai käyttää muitakin taajuukia. Voit kirjata tulokia euraavan taulukkoon, eimerkiki piirin () iteiarvot ja vaiheet em. taajuukilla on jo lakettu malliki. Ooitinlakenta on tärkeä apuväline monea kuria. Uein PT tentiä on tehtävä, joa piirretään taajuuvate käyttäen harjoitukea 6 opittavaa taajuuvateen viivaapprokimaatiota. Ooitinlakennalla voi tarkitaa tietyllä pitetaajuudella, onko oman approkimaation iteiarvo tai vaihe oikeaa paikaa. Lakaria 6 graafinen taajuuvate piirretään iten, että taajuuakeli on logaritminen (tää lakaria e on lineaarinen) ja iteiarvot ilmaitaan deibeleinä (tää e oli lineaariateikolla). Eimerkki: verkkofunktio on 3 H ja haluat tietää, mikä on iteiarvon ja vaiheen tarkka arvo taajuudella. Iteiarvo laketaan deibeleina, log tarkoittaa tää kantaita logaritmia. log H j 3 log log 3 log j j log 3 log j 6dB 6 4dB db H(j ):n vaihe taajuudella aadaan: H j 3 arctan 3 arc tan arc tan arctan o 84 894 o 84 3 o 63
Harjoitu 5 piiri () (7) (4) () ja (9) (6) () (8) (4) iirtofunktio Mag,, Mag, Mag, Phae,, Phae, Phae,,5,63,99,85 8,43 5,6 3,5,5 h vate (8) () (3) () (6) () (9) (7) 64
Harjoitu 6 6. HARJOITUS. KYSYMYKSET. Piirrä euraavien verkkofunktioiden Boden amplitudi ja vaihekuvaajat a) H j b) H j j j j j j c) H j j j j. Eti kuvan Boden amplitudikuvaajia vataavat verkkofunktiot. 3. Eti kuvan Boden vaihekuvaajia vataavat verkkofunktiot 4. Piirrä euraavan verkkofunktion Boden amplitudi ja vaihekuvaajat H j j 3 j j, j H db) (a) H db) (b) 6 6.. (rad/) (rad/) Kuva 65
Harjoitu 6 H (deg) 45 (a) H (deg) 9 (b) 9 8 35. (rad/) 7. (rad/) Kuva LASKUHARJOITUKSISSA LASKETTAVA: 5.a) Määritä kuvan 3 vaihekuvaajaa vataava verkkofunktio. (vertaa tehtävään 3) b) Piirrä akohdan verkkofunktiolle Boden amplitudikuvaaja, kun verkkofunktion vakiotermi K on. H(j ) (deg) 9 45 45 9. (rad / ) Kuva 3. 66
Harjoitu 6 BODEN KUVAAJAT Boden kuvaaja on taajuuvateen graafinen eity. Erona edellien harjoituken taajuuvateiden eitykeen on e, että taajuuakeli on logaritminen ja amplitudikuvaaja eitetään deibeliateikolla. Logarimien taajuuateikon käyttämien yy elvinnee alla olevata eimerkitä. Siinä on eitetty tehtävän b) verkkofunktion tarkka taajuuvate ekä lineaariilla että logaritmiilla ateikoilla. Lineaarinen taajuuateikko kätkee verkkofunktion kaitanpäätöluonteen, eli iteiarvo nollataajuudella ei olekaan, kuten vaemmata iteiarvokuvaajata voitaiiin tulkita. Myö vaihekuvaaja on paljon elkeämpi logaritmiella taajuuateikolla: nurkkataajuudet, joia vaihe muuttuu, ovat helpommin havaittavia. Verkkofunktioiden iteiarvoilla voi olla eri taajuukilla uuria vahvitukia ja vaimennukia, joten iteiarvokuvaajat eitetään deibeliateikolla. Eimerkiki 4dB on lineaariateikolla,, mikä on melko hankala havaita jo lineaarinen ateikko on vaikkapa nollata tuhanteen. Lineaariet ateikot Logaritmiet ateikot iteiarvo iteiarvo (db) 8 5 6 4 5 5 4 6 8 taajuu rad/ (lineaar.) 3 taajuu rad/ (logateikko) vaihe vaihe 9 9 45 45 45 45 9 4 6 8 taajuu rad/ (lineaar.) 9 3 taajuu rad/ (logateikko) 67
Harjoitu 6 BODEN KUVAAJIEN PIIRTÄMINEN Kuvaajia ei piirretä tarkan ooitinlakennan avulla, vaan n. viivaapprokimaatioiden avulla (traightline approximation), joiden avulla kuvaajien piirto ruutupaperille on mahdolliimman nopeaa. Piirtoäännöt ovat ivuilla 773, mutta itä ennen hiukan pohjututa. Kun kuvaajia aletaan piirtää, verkkofunktio kirjoitetaan muotoon H j K A j,miä K on vakiotermi, A ja B ovat ooittaja ja nimittäjä. B j Jotta Boden kuvaajien piirtäminen menii oikein, reaaliet ja komplekiet nollat ja navat ovat kirjoitettuna tietyä tandardimuodoa, joka on muokattu verkkofunktion nollanapa eityketä. Reaaliet nollat ja navat. Jo H(j ) iältää vain reaaliia nollia ja napoja, e on muotoa: H j j z j z j z m K j p j p j p n, (6) miä z...z m ja p...p n ovat taajuukia, joia amplitudivateen jyrkkyy muuttuu. Siirtofunktion nollanapaeitytä käytettiin edelliiä lakareia (eim. käänteimuunnoket). Eimerkiki H muokattaiiin tää lakaria muotoon z K, p p miä K, z rad/, p rad/ ja p rad/ Lakuohjeia eitetään j, joten j K j j j z j j p p 68
Harjoitu 6 Komplekiet nollat ja navat: Jo A(j ) ja B(j ) iältävät komplekiia nolla ja napapareja, niiden aiheuttamat termit ovat muotoa: H j j Q z z z j K j j Q p p p. (7) Qluku (eim. Q z ) on termi, jolla voidaan approkimoida amplitudivateen piikitytä ja vaihevateen jyrkkyyttä., Q z ja z aadaan vertaamalla kaa Jo eimerkiki A(j ) on muotoa van (7) ooittajan muotoa: j 3 j j 3 j 3 j j j Q z z Näin ollen z on ja Q z on 3/. j z Kun piirretään taajuuvatetta, reaaliet/komplekiet nollat ja navat on aina kirjoitettava kaavojen (6) ja (7) mukaieti Jo näin ei tehdä, vakiotermi menee erittäin todennäköieti pieleen. Eimerkkinä iirtofunktio, joa reaalinen napa: H Siirtofunktio H() muokataan ennen piirtämitä euraavati: H j Eli vakiotermi K onkin eikä! 69
Harjoitu 6 DEKADI, DESIBELI Amplitudi ja taajuukuvaajia taajuuakeli on logaritminen, perutuen yleenä kantaieen logaritmiin. Tällöin taajuu kavaa taavälein kymmenkertaieki. Taajuuväliä, joa taajuu on kavanut kymmenkertaieki, kututaan dekadiki. 3 4 5 log 4 5 rad/ Amplitudikuvaajaa verkkofunktion iteiarvo eitetään deibeleinä ( log H(j ) ) ja vaihekuvaajaa vaiheakeli on lineaarinen. Lakuia nollat, navat, vakiokerroin, ja hyvyyluku (z,p,k ja Q) ovat numeeriia tunnulukuja, joiden mukaan iirtofunktion oatermit piirretään. Nämä oatermit ovat ii, nollat ja navat ja vakiokerroin. Tehtävien iirtofunktioita näkee uoraan, onko nolla/napa reaalinen vai jopa origoa. Jo ooittajaa tai nimittäjää on toien ateen polynomi, kannattaa lakemalla todeta, ovatko nollat/navat komplekiia vai reaaliia. Jo reaaliia, eitä iirtofunktio kahden reaalien termin tulona Eimerkki: nolla origoa reaalinen nolla j j K j j j j z j j p p reaalinen napa 7
Harjoitu 6 Vakiotermi : iteiarvo log K vaihe kun K 8 kun K log K H(j ) H(j ) 8 K < K > 8 K < Reaalinen nkertainen nolla :a (origoa), tekijä (j ) n : iteiarvo nlog vaihe n 9 ndb H(j ) n9 H(j ) db jyrkkyy ndb/dek ndb (lyhenne dek tarkoittaa dekadia eli taajuuden kymmenkertaitumita) Reaalinen nkertainen napa :a, tekijä /(j ) n : iteiarvo nlog vaihe n 9 ndb H(j ) H(j ) db jyrkkyy ndb/dek ndb n9 7
Harjoitu 6 Reaalinen nolla, tekijä ( j /z) : db kun z iteiarvo vaihe db dek kun z z 45 dek z z 9 z db jyrkkyy db/dek H(j ) 9 45 H(j ) jyrkkyy 45 /dek virhe 3dB db z z z 45 z z z (vaemman puolitaon nolla) 9 Reaalinen napa, tekijä /( j /p): db kun p iteiarvo vaihe db dek kun p p 45 dek p p 9 p H(j ) db p virhe 3dB p p 9 H(j ) 45 45 (vaemman puolitaon napa) p p p db jyrkkyy db/dek 9 jyrkkyy 45 /dek Reaalinen nolla ja napa kääntävät ii vaihetta 9 o. 7
Harjoitu 6 Komplekinen nollapari, tekijä j j : Q z z z db kun z iteiarvo vaihe 4dB dek kun z H(j ) 4dB H(j ) 8 vaiheen muuto 8 muuto taajuudeta taajuuteen. jyrkkyy 4dB/dek 9 (vaemman puolitaon kompl. nollapari) db z z z todelliea vateea on piikki rajataajuudella, piikin uuruu on log Q 4Q db log z 4Q, z log 4Q Huomaa, että vaiheen muutojyrkkyy riippuu Qluvuta Komplekinen napapari tekijä j j : Q p p db kun p iteiarvo vaihe 4dB dek kun p H(j ) db p vaiheen muuto 8 muuto taajuudeta taajuuteen Kuten komplekiella nollaparilla, vaiheen muutojyrkkyy riippuu Qluvuta. todelliea vateea on piikki rajataajuudella, piikin uuruu on p p jyrkkyy 4dB/dek 9 H(j ) p log Q 4Q H(j ) db (vaemman puolitaon kompl. napapari) 4dB 8 p log 4Q, p log 4Q 73
Harjoitu 6 Lopullinen Bodenkuvaaja tehdään enin piirtämällä kunkin oatermin iteiarvo ja vaihe erikeen. Lopuki oatermien aiheuttamat kuvaajat ummataan. Kun piirrät Boden kuvaajia, noudata tarkkaan piirtoääntöjä. Kuvaa on eimerkki oatermien kuvaajien ummaamieta. Harmaalla on merkitty vakiotermin ja reaalien navan vaikutuket amplitudivateeeen. Muta käyrä on oatermien umma, eli lopullinen amplitudivate. (db) 4 4 6 log ()db Approkimointiääntöjä on helpotettu iten, että nollat ja navat ijaitevat aina vaemmaa puolitaoa. Tällöin toteututa kututaan minimivaiheieki, illä vaemman puolitaon nollien aiheuttama vaiheen editäminen kompenoi napojen aiheuttamaa vaiheen jätättämitä. Kuten edelieä lakaria mainittiin, piirretyn Boden kuvaajan voi tarkitaa ooitinlakennalla ijoittamalla :n paikalle jokin piirretyä kuvaajaa oleva taajuu ja lakemalla todellinen iteiarvo ja vaihe. Huomaa, että jo laket tarkan taajuudella, jolla vaihe tai amplitudivate taittuu, tarkka arvo aattaa hieman poiketa viivaapprokimaatiota. 74
Harjoitu 6 HARJOITUS 6. RATKAISUT TEHTÄVÄ. a) A H j j j B C vakiotermi reaalien navan aiheuttavat termit j / (p ) ja j / (p ) H(j (db) 4 A B C 4 3 4 H(j (db) db/dek 4dB/dek 4 45 H(j ) 9 (deg) 35 8 45 H(j ) (deg) 9 35 8 3 (rad / ) A B C 3 45 o /dek 9 o /dek 45 o /dek 3 (rad / ) 75
Harjoitu 6 j b) H j j j vakiotermi nollan aiheuttava termi j nolla :a) navat ( j /) ja ( j /) H(j (db) 4 B A B C D A C D 4 3 4 H(j (db) db/dek db/dek H(j ) (deg) H(j ) (deg) 4 9 45 45 9 9 45 45 9 3 (rad / ) B A C D 3 45 o /dek 9 o /dek 45 o /dek 3 (rad / ) 76
Harjoitu 6 c) H j j j j vakiotermi kakinkertainen nolla :a navat kuten edellä A B C D H(j (db) 4 B A C D H(j (db) H(j ) (deg) H(j ) (deg) 4 3 4 4 3 (rad / ) 8 35 9 45 45 9 8 35 9 45 45 db/dek 4dB/dek B A C D 3 45 o /dek 9 o /dek 45 o /dek 9 3 (rad / ) 77
Harjoitu 6 TEHTÄVÄ H db) (a) 6 6. (rad/) H db) (b). (rad/) a) : jyrkkyy db/dek, kun /j termi : jyrkkyyden muuto db/dek, kun termi /( j /) 3: jyrkkyyden muuto db/dek, kun termi ( j /) 4: vakiotermi K: arvioidaan funktiota taajuudella., joa en arvo on 6dB: H j K j j j, K, log K log log, log 6 log K K H j j j j b) : jyrkkyy db/dek, kun j termi : jyrkkyy muuttuu db/dek, kun termi /( j /) 3: jyrkkyy muuttuu db/dek, kun termi /( j /) 4: vakiotermin täytyy olla H j j j j 78
Harjoitu 6 TEHTÄVÄ 3. H (deg) 45 9 (a) 9 H (deg) 8 (b) 35. (rad/) 7. (rad/) a) : 9, kun <. termi /j : jyrkkyyden muuto 45 /dek taajuudella. termi /( j /) 3: jyrkkyyden muuto 45 /dek taajuudella termi ( j /) H j K j j j b) : jyrkkyyden muuto 45 /dek taajuudella. termi /( j /) : jyrkkyyden muuto 45 /dek taajuudella termi /( j /) 3: lopullinen arvo 7. Koka edelliet termit aiheuttavat yhteenä 8 vaiheiirron taajuuteen menneä, tarvitaan liäki termi /j, joka aiheuttaa 9 :een vakiovaiheen H j K j j j 79
Harjoitu 6 TEHTÄVÄ 4, AMPLITUDIKUVAAJA H j j j 3 j, j Jaetaan H(j ) tekijöihin: vakiotermi (kuvaaja A) Siirtofunktion nollat ovat komplekiet (lakemalla:.3333 j.948) komplekien nollaparin aiheuttava termi j j j j 3 5 z Q,5 (kuvaaja B) reaalien navan. aiheuttava termi j, (kuvaaja C) reaalien navan aiheuttava termi j (kuvaaja D) Lopullinen amplitudivate on piirretty harmaalla katkoviivalla. H(j ) (db) Iteiarvo 6 4 4dB/dek db/dek db/dek 4 C db/dek D db/dek 6 3 3 z (rad/) 8
Harjoitu 6 TEHTÄVÄ 4, VAIHEKUVAAJA j j 3 H j j, j Boden vaihekuvaaja j j 5 j, j poitiivinen vakiotermi : ei vaikuta vaiheeeen komplekien nollaparin Q on.5, joten on.39 ja on.57 (kuvaaja B) reaalien navan. aiheuttava termi j, (kuvaaja C) reaalien navan aiheuttava termi j (kuvaaja D) Lopullinen vaihevate on piirretty harmaalla katkoviivalla. H(j ) (deg) Vaihe 5 8 35 9 45 45 9 45 o /dek o /dek 75 o /dek C 45 o /dek 45 o /dek D 35 3 3 z log 4Q z log 4Q 8 o B: jyrkkyy o dek log log 8
8 Harjoitu 6
Harjoitu 7 7. HARJOITUS. KYSYMYKSET. Synteoi taulukon avulla piirit, jotka toteuttavat alla olevat amplitudivateet. Suunnittele piirit, jo mahdollita, iten että tarvittavat kondenaattorit ovat nf:n uuruiia. Toteuta (a) ja (b)kohdia liäki piirit, jotka antavat aman vateen kertaiella taajuudella kuviin verrattuna. 3 4 (a) db db (b) 6dB db 6dB/oct 6dB/oct x 4x (c) db db/dec db/dec db 8 5 db 6dB/oct (d) 6dB db/oct db 3 4 LASKUHARJOITUKSISA LASKETTAVAT:. Miten (d)kohta toteutetaan yhdellä operaatiovahvitimella? 3. Tenttitehtävä 6..4 Kuvan piiritä: Lake Jännitteeniirtofunktio H() V out () / V in () ja piirrä H():lle Boden amplitudi ja vaihekuvaajat. 83
Harjoitu 7 mh mf V in V out Kuva Taulukko Nollanapakartta T() V () / V () piiri (ykiköt ovat ohmeja ja faradeja) /K p x z K z p toteuttaa mitkä tahana reaaliet nollan ja navan V /z K/p V /K p x K p V K/p V 3 /K p x p x K p p V /p K/p V 84
Harjoitu 7 HARJOITUS 7. RATKAISUT SIIRTOFUNKTIOIDEN REALISOINTI KASKADIKYTKENNÖILLÄ Kun iirtofunktion toteuttaminen ykinkertaiella perukytkennällä ei onnitu, voidaan näitä perumoduleja kytkeä peräkkäin eli kakadiin. Peräkkäiten ateiden iirtofunktiot voidaan kertoa kekenään, jo ne eivät kuormitta toiiaan. Tämä toteutuu jännitevahvitimea, mikäli ykittäien ateen tuloimpedani on ääretön tai lähtöimpedani nolla. Tällöin peräkkäiten ateiden iirtofunktiot voidaan kertoa kekenään, koka edellien ateen lähtöjännite kytkeytyy kokonaan euraavan ateen tuloon. Tarkatellaan eimerkiki kahden. ateen alipäätöuodattimen kakadikytkentää:. ateen alipäätöuodatin (iirtofunktio lakettu harj 4) V in R C V out V out V in RC RC. ateen alipäätöuodatin (iirtofunktio lakettu harj 4) V in R C R C V out V out V in RC 3 RC RC. ateen alipäätöuodatin, joa ykittäiet ateet on erotettu ideaaliella operaatiovahvitimella, jonka tuloimpedani on ääretön ja lähtöimpedani nolla R V a V in C V b R C V out V out V in RC RC RC RC RC RC RC Viimeieä piiriä käytetty operaatiovahvitinkytkentä voidaan analyoida harj. 4 ääntöjen pohjalta. Koka tulonapojen välinen jännite on nolla, V b V a. Ääretön tuloimpedani ja nolla lähtöimpedani ovat ideaalien operaatiovahvitimen ominaiuukia, joten operaatiovahvitin toteuttaa tää kytkennää ideaalien pukurin. Ykittäiten operaatiovahvitinkytkentöjen liittäminen peräkkäin toteuttaa aina kakadikytkennän ehdot, koka niiden lähtöimpedani on nolla (eim. tehtäväpaperin kytkennät). Tällöin euraavan ateen tuloimpedanin ei tarvite olla ääretön ideaalien kytkeytymien toteutumieki. 85
Harjoitu 7 Taajuu ja impedanikaalauket Suodatinuunnittelua tarvitaan uein taajuu ja impedanikaalauta, jotta aavutetaan halutut iirtoominaiuudet. Skaalattujen piirielimien yhtälöt ovat euraavat. Impedanikaalau vatu R new k m R old () kela L new k m L old () kondenaattori C new C old k m (3) Taajuukaalau vatu (4) R new R old kela kondenaattori L new L old k f C new C old k f (5) (6) Skaalauket voidaan myö tehdä amanaikaieti, jolloin edelliet kaavat voidaan yhditää: Impedani ja taajuukaalau vatu R new k m R old (7) kela L new k m k f L old (8) kondenaattori C new C k m k old f (9) 86
Harjoitu 7 a) Jaetaan Boden amplitudikuvaaja oiin, joita piiri on helppo muodotaa: db 3 4 db db 3 4 3 db 4 j rajataajuudet x 4 3 x Siirtofunktioki aadaan: T j K j 3 j 4 j j 5 j 3 j 4 j j 5 Kuvata nähdään, että taajuudella, T(j) db, joten K. Jaetaan euraavaki iirtofunktio kahteen. ateen funktioon. Jako voidaan tehdä eimerkiki euraavati: T T T 3 4 5 T :n ja T :n realioimieen voidaan nyt käyttää taulukon piiriä : 87
Harjoitu 7 T T /K / /K / /z / 3 3 K/p / /z / 4 4 V V V K/p / 5 5 V aadaan euraava piiri F F F F V in 3 4 5 Vout Taajuukaalauta ei nyt tarvite uorittaa, koka komponenttiarvot on valittu uoraan haluttujen rajataajuukien peruteella. Suoritetaan impedanikaalau iten, että kaikki kondenaattorit ovat arvoltaan nf. Impedanikaalau kondenaattorille aadaan kaavata (3): k m C old F 7 nf C new Skaalaamalla kaavoja ()(3) käyttäen aadaan piiri nf nf nf nf V in k k k.k V out 88
Harjoitu 7 Tehdään euraavaki taajuukaalau iten, että rajataajuudet nouevat kertaiiki. Käyttämällä kaavaa (9) tulee impedanikaalaukertoimeki k m C old F 6 k f C new nf aadaan piiri: nf nf nf nf V in k k.k.k V out b) Rajataajuudet voidaan aluki päätellä jyrkkyykien peruteella (jyrkkyy 6dB/oct tarkoittaa, että amplitudin arvo muuttuu 6dB taajuuden kakinkertaituea). Tämä on ama jyrkkyy, kuin db/ dec) Jaetaan aluki amplitudikuvaaja oiin, kuten edellä 6dB db 6dB/oct 6dB/oct x 4x 6dB 6dB/oct 6dB/oct db x 4x db/oct 4x x xx kakinkertainen napa 89
Harjoitu 7 Saadaan iirtofunktio T j K j j 4 j j Koka T() db, K. T 4 T T käytetään realioinnia piiriä. T T /K / /K / /z /. /z K/p /.5 /4.5 V V V K/p /.5 V aadaan piiri F F F F V in 5x 3.5x 3 5x 3 Vout Tehdään impedanikaalau iten, että kaikki kond. ovat nf. peruteella. piiri k m 7 edellien kohdan nf nf nf nf V in k 5k 5k 5k Vout 9
Harjoitu 7 Tehdään euraavaki taajuukaalau iten, että rajatataajuudet kymmenkertaituvat. Kaavata (9) k m C old F 6 k f C new nf vatuket pienenevät kymmeneoaan entietä. c) db db/dec db/dec db 8 5 db A db/dec db 8 5 db/dec B C D db/dec 5 x 8 x Laketaan aluki piirin iirtofunktio. db/dec noueva kuvaaja B on termin j / aiheuttama, miä on db:n ylitytaajuu 8rad/ (vrt. harj. 6) T j j 8 K5 j K j 8 j 5 j 8 j 5 9
Harjoitu 7 Koka iteiarvo on kekitaajuudella db K. K tot 5 Taulukota nähdään, että voidaan käyttää uoraan piiriä 3 /K /5 8x 6 /p /8.5x 3 V K/p 5/5 V Skaalataan kondenaattorit iten, että tulohaaraa oleva kond. on nf C old,5 k m 3 5 C new 9 aadaan piiri: 6nF V.5k nf 5k V Jo K laketaan todelliten arvojen peruteella (arvioidaan funktiota taajuudella rad/), aadaan en arvoki noin 6.5. Syynä on e, että Bodenamplitudikuvaajat ovat approkimaatioita, jotka antavat 3dB:n virheen napa ja nollataajuudella (ykinkertaien navan tai nollan tapaukea). Alla olevaa kuvaa on ekä todelliet arvot, että approkimaatiot. Jo uunnitellaan tämän eimerkin mukainen kaitanpäätöuodatin pelkätään Bodenapprokimaatioiden peruteella, virhe tulee itä uuremmaki, mitä pienempi kaitanlevey uodattimelle valitaan. 8 3 5 3dB H(j ) 5 j 8 j 8 total j 5 3 4 (rad/) 9