Žilinská univerzita v Žilinediplom.utc.sk/wan/626.pdf · 2006-08-10 · Žilinská univerzita v...

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


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,


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


5.2.2 Meranie napäťovej symetrie OZ.......................................................................48

5.3 Zosilnenie operačného zosilňovača .........................................................................50


5.3.2 Meranie zosilnenia operačného zosilňovača.....................................................50

5.4 Napäťové zosilnenie OZ pri sínusovom a obdĺžnikovom signáli............................53


5.4.2 Meranie napäťového zosilnenia OZ pri sínusovom a obdĺžnikovom signáli ...54

5.5 Frekvenčná odozva OZ ............................................................................................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



7.5 Simulácia OZ: Frekvenčná odozva OZ....................................................................69



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


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


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


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


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


• 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


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


• 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):


( ) ( ) 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


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


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


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)


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


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).


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.


Pre výpočet napäťového zosilnenia Au platí vzťah (15).


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).


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).


313

1

2 −=ΩΩ

−=−=kk

RRAIN


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.


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.


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


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


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


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



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


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


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


––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 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



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


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


Poďakovanie

Touto cestou ďakujem vedúcej diplomovej práce Ing. Anne Kondelovej za

odborné vedenie, cenné rady, usmernenia a pripomienky pri tvorbe diplomovej práce.

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 75

Žilinská univerzita v Žilinediplom.utc.sk/wan/626.pdf · 2006-08-10 · Žilinská univerzita v...

Documents