Te Cat 20121 Pract1 Sol PDF

Preview

Summary

Práctica obligatoria SOLUCION...

Description

11.511 – TECNOLOGIA ELECTRÒNICA Semestre Set12 – Gen13

Grau de Tecnologies de Telecomunicació

PRÀCTICA 1

Criteris d'avaluació i condicions de lliurament Puntuació: • Nota mínima de la Part Pràctica: és imprescindible obtenir almenys un 5 en la nota de la Part Pràctica per poder optar a superar l'assignatura (veure el model d'avaluació en el Pla Docent). • La nota de la Part Pràctica de l'assignatura s'obté a partir de la mitjana aritmètica de les notes de les Pràctiques 1 i 2. • És imprescindible lliurar ambdues pràctiques per poder tenir nota de la Part Pràctica: un No Presentat en la Pràctica 1 i/o en la Pràctica 2 implica un No Presentat en la nota de la Part Pràctica de l'assignatura. Data límit de lliurament: 12/12/2012 Heu de lliurar la Pràctica abans de les 23:59h d'aquesta data (en l'aplicatiu “Lliurament i registre d'EC” de l'aula virtual del Campus UOC). El nom del document haurà de ser el següent: _Practica1. Per exemple, si el vostre nom d'usuari és “jsolappp”, i lliureu la pràctica en .pdf, el nom de l'arxiu haurà de ser: jsolappp_Practica1.pdf El vostre nom i cognoms també ha d'aparèixer en cadascuna de les pàgines del document.

Enunciat Nota 1: Justifiqueu les respostes. Nota 2: És important que, abans de començar a solucionar la pràctica, estudieu detingudament els materials que, a aquest efecte, trobareu a l'aula virtual. Aquests materials inclouen: • La Guia d'Estudi (GES) de la Pràctica 1, que conté informació detallada sobre com procedir amb tots els materials i documentació disponibles. • Manuals d’usuari de la placa de pràctiques, de la instal·lació i configuració de la VirtualBox, i també manuals del Launcher, Generador i Oscil·loscopi. • Una descripció de tots els components que conformen el kit de pràctiques. • Vídeos explicatius sobre muntatges en la protoboard, procediments de mesura, i ús del programari que acompanya a la placa de pràctiques. Inclouen també recomanacions i advertiments sobre el seu ús. • Documentació de suport amb informació que completa l'explicat en els vídeos.

Tecnologia Electrònica – Pràctica 1 - Set12-Gen13

Pàgina 1/29

11.511 – TECNOLOGIA ELECTRÒNICA Grau de Tecnologies de Telecomunicació

Semestre Set12 – Gen13

PRÀCTICA 1

Nota 3: les mesures preses amb el multímetre i/o amb el programari que acompanya a la placa, així com els muntatges realitzats amb la placa de pràctiques, s'han de justificar. Per a això, o bé s'afegeix a la resposta un esquema on s'indiqui clarament com s'han muntat els components, el multímetre, la posició de la roda del mateix, connexió del generador i canals de l'oscil·loscopi,... o bé, si ho preferiu, podeu adjuntar fotos i captures de pantalla que mostrin clarament el detall dels muntatges i mesures realitzats a manera de justificació. Nota 4: En els exercicis, caldrà modificar els muntatges per afegir o canviar components i valors. Com a mesura de seguretat, assegureu-vos, cada vegada que feu un canvi, d'apagar l'interruptor de la placa, perquè el circuit quedi sense alimentació, fer els canvis necessaris i finalment tornar a encendre l'interruptor de la placa. Nota 5: En funció de les característiques i velocitat del PC en el qual tingueu instal·lada la màquina virtual, des que es prem el botó per mostrar el Generador i/o Oscil·loscopi, pot trigar uns segons fins a mostrar-se la finestra amb l'aplicació. És important que espereu fins que es carregui i no premeu de nou el botó mentre ho fa. En cas contrari poden aparèixer errors que us forcin a tancar l'aplicació i tornar a començar amb la mateixa. Nota 6: Recordeu que l'oscil·loscopi disposa d'una opció “Save” per guardar una captura de pantalla. Podeu usar-ho per il·lustrar les respostes, o bé directament captures de pantalla, tant per al generador com per a l'oscil·loscopi, que mostrin la configuració i resultats obtinguts amb els mateixos. Nota 7: Recordeu que estem treballant amb elements reals que tenen toleràncies, i amb elements de mesurament reals (tant amb el generador com amb l'oscil·loscopi a freqüències majors de 10 kHz podreu observar l'efecte de la digitalització, doncs les formes d'ona que apareixen no són perfectes. No us preocupeu si els resultats obtinguts no són idèntics als teòrics, és normal. L'important és que els resultats siguin coherents i que busqueu quin pot ser el motiu de les diferències.

EXERCICI 1 En el mòdul 1 es va estudiar el díode com a limitador de tensió. Tal i com s’explica a la secció 4.2, els circuits limitadors de tensió (veure la Figura 1) permeten limitar l’amplitud de la tensió que arriba a un cert component, de manera que no deixen que sobrepassi un valor màxim determinat.

Figura 1 – Circuit de l’Exercici 1

Tecnologia Electrònica – Pràctica 1 - Set12-Gen13

Pàgina 2/29

11.511 – TECNOLOGIA ELECTRÒNICA Semestre Set12 – Gen13

Grau de Tecnologies de Telecomunicació

PRÀCTICA 1

En aquest Exercici 1 anem a implementar aquest circuit i analitzar el seu comportament detalladament utilitzant l'oscil·loscopi i el generador de funcions. És important que, tant prèviament com durant la realització del mateix, us recolzeu en el vídeo explicatiu sobre l'ús dels instruments, així com els corresponents manuals d'usuari. Complementeu la justificació dels muntatges realitzats i dels procediments de mesura efectuats en tots i cadascun dels apartats amb esquemes explicatius i/o adjuntant fotos que mostrin clarament el detall dels muntatges. Tenint en compte tot l'explicat anteriorment, resoleu el següents apartats: a. En primer lloc implementarem el limitador de tensió positiva que es mostra a la Figura 2, amb R1 = 220 Ω i R2 = 10 kΩ (podeu localitzar aquestes resistències al kit mitjançant l’ús del codi de colors). Feu servir també la referència 1N4148 del kit per implementar el díode. Per comoditat, limitarem el senyal a Vlim1 = +5 V a partir de la tensió del mateix valor disponible a la placa.

Figura 2 – Circuit limitador de tensió positiva de l’Exercici 1 Amb tots els components muntats a la protoboard, useu el generador de funcions per construir el senyal d’entrada sinusoïdal següent, amb tensió de pic de 8,5 V i freqüència de 11 kHz: Vi(t) = 8,5·sin(2·π·11000·t) V El senyal de sortida Vo(t) és la tensió sobre R2. Representeu simultàniament a l’oscil·loscopi els senyals d’entrada Vi(t) i sortida Vo(t) als canals CH1 i CH2 respectivament. Comenteu els resultats. Per tal de representar els senyals, utilitzeu els següents mètodes i compareu-los: o Usar la funció Autorange. o Ajustar manualment tant el botó Time/div (per tal de representar un període del senyal) com el botó Volts/div (per tal d’obtenir la forma d’ona completa sense que se surti de la pantalla). b. Amb 2 V/div i 10 µs/div, mesureu el valor màxim del senyal de sortida i observeu com varia el senyal representat en funció de si es té activada o no la funció Average. Coincideix el valor màxim mesurat amb Vlim1? Comenteu les possibles diferències. c. Mantenint l’ajust manual de Time/div i Volts/div fet a l’apartat anterior, què passa si

Tecnologia Electrònica – Pràctica 1 - Set12-Gen13

Pàgina 3/29

11.511 – TECNOLOGIA ELECTRÒNICA Semestre Set12 – Gen13

Grau de Tecnologies de Telecomunicació

PRÀCTICA 1

es varia la posició vertical (Vertical position)? Seria possible representar tot el senyal de sortida dins la pantalla? d. Varia el circuit limitador la freqüència del senyal de sortida respecte el senyal d’entrada? Calculeu el percentatge de temps respecte un període complet en que el díode està limitant el senyal. e. Un cop analitzat el limitador positiu, afegiu el circuit limitador negatiu, de manera que el circuit resultant sigui com el que es mostrava a la Figura 1. Representeu els senyals d’entrada i sortida, mesurant els valors mínim, màxim i la màxima excursió del senyal de sortida. Què passa si s'augmenta el nivell de trigger per al senyal de sortida fins a 6,5 V, tant pel canal 1 com pel canal 2? Varien aquests resultats si el pendent del trigger és LtH o HtL? I si traiem el díode D1? f.

Serveix el mateix circuit per limitar senyals quadrats (amb un duty cycle del 30%) o triangulars de la mateixa amplitud i freqüència? Justifica la teva resposta. Suposeu que, en un entorn digital, es treballa amb un senyal com el mostrat a la Figura 3, on hi ha tres possibles nivells: 0 V, +4 V, i -4 V. A més, és possible que arribi un pols interferent de manera que el senyal pot assolir valors de +8 V i -8 V. Mesureu si el circuit limitador muntat serveix per protegir etapes posteriors d’aquests pols interferents, mesurant de nou a quin nivell es limita el senyal.

Figura 3 – Senyal digital a implementar amb el generador de funcions Aquest senyal no es pot implementar mitjançant els botons de selecció de funcions del generador. Per poder alimentar el nostre circuit amb aquest senyal, serà necessari generar-lo mitjançant el botó ARBITRARY. NOTA: és molt recomanable consultar el manual d’usuari del generador de funcions per conèixer els detalls del funcionament del mode Arbitrary. Heu de tenir en compte que la freqüència de mostreig màxima (que podeu indicar en el fitxer “.txt”) que defineixi les mostres del període bàsic d’aquest senyal arbitrari és de 351 kHz (tot i que podeu indicar, si ho voleu, una freqüència de mostreig més petita). Tanmateix, el nombre màxim de mostres que podeu fer servir per definir el període bàsic és N =

Tecnologia Electrònica – Pràctica 1 - Set12-Gen13

Pàgina 4/29

11.511 – TECNOLOGIA ELECTRÒNICA Grau de Tecnologies de Telecomunicació

Semestre Set12 – Gen13

PRÀCTICA 1

2048. Si en algun moment teniu problemes per generar aquest fitxer, no oblideu que podeu discutir el tema als foros de l’aula. g. Fins ara s’ha utilitzat el mode Display amb Format YT, en el qual l’eix horitzontal es correspon amb el temps i l’eix vertical amb la tensió. Amb el mateix circuit i el senyal sinusoïdal original, feu servir Format XY, representant el senyal de sortida en funció del senyal d’entrada (intenteu ocupar el màxim de pantalla possible). Interpreteu la corba que s’obté.

SOLUCIÓ A continuació es detalla la resolució de l'Exercici 1 d'aquesta primera pràctica: a. Al kit podem trobar els components que es demanen a l’enunciat de l’exercici:

Taula 1 – Selecció de components pel limitador positiu de l’Exercici 1 Referència Component

Valor nominal

Quantitat

PR50220H

Resistència

220 Ω

3

PR5010K

Resistència

10 kΩ

3

1N4148

Díode

0,65 V (Vγ)

4

Codi de colors banda #1 = vermell (2) banda #2 = vermell (2) banda #3 = marró (1) banda #1 = marró (1) banda #2 = negre (0) banda #3 = taronja (3) -

La Figura 4 mostra el muntatge del circuit, incloent el díode. Veieu, d’una banda, que el càtode del díode es connecta a la font de +5 V de la placa, per tal d’implementar Vlim1. D’altra banda, recordeu que les pistes llargues superior i inferior de la protoboard està cadascuna interconnectada internament; en aquest exercici connectem la superior a la sortida del generador de funcions (senyal d’entrada) i la inferior a massa.

Tecnologia Electrònica – Pràctica 1 - Set12-Gen13

Pàgina 5/29

11.511 – TECNOLOGIA ELECTRÒNICA Semestre Set12 – Gen13

Grau de Tecnologies de Telecomunicació

PRÀCTICA 1

Figura 4 – Muntatge de l’etapa limitadora positiva Un cop muntat el circuit, amb el generador de funcions creem el senyal d’entrada especificat a l’enunciat, seleccionant el tipus sinusoïdal (botó SIN) i entrant l’amplitud de pic del senyal (botó AMPL) i la freqüència (botó FREQ), tal i com es mostra a la Figura 5.

Figura 5 – Definició del senyal d’entrada amb el generador de funcions Tal i com es diu a l’enunciat, connectem el senyal d’entrada al canal CH1 i el senyal de sortida al canal CH2, i els representem simultàniament a l’oscil·loscopi. Fent servir el botó Autorange obtenim la representació en pantalla mostrada a la Figura 6 (fixeu-vos que s’ajusta a 1 ms i 5 mV per divisió). D’altra banda, si ho fem manualment s’han de mantenir els 5 V per divisió per tal de que el senyal no se surti de la pantalla mentre que hem d’ajustar l’escala temporal a 10 µm per divisió per tal de representar un únic període del senyal. En ambdós casos, s’observa l’efecte limitador del circuit per a senyals amb amplituds superiors a un determinat valor.

Tecnologia Electrònica – Pràctica 1 - Set12-Gen13

Pàgina 6/29

11.511 – TECNOLOGIA ELECTRÒNICA Semestre Set12 – Gen13

Grau de Tecnologies de Telecomunicació

PRÀCTICA 1

Figura 6 – Representació dels senyals amb Autorange

Figura 7 – Representació dels senyals ajustant manualment Time/div Noteu com, si variem el botó Volts/div pels dos canals manualment a 2 V per divisió, tant el senyal d’entrada com el senyal de sortida se surten de la pantalla de l’oscil·loscopi (veure Figura 8). D’igual manera, si amb el botó Time/div reduïm l’escala temporal fins a 1 ms per divisió, el nombre de períodes representats en pantalla és massa elevat (veure Figura 9) i difícilment permet extreure informació de les corbes.

Figura 8 – Representació dels senyals variant manualment Volts/div

Tecnologia Electrònica – Pràctica 1 - Set12-Gen13

Pàgina 7/29

11.511 – TECNOLOGIA ELECTRÒNICA Semestre Set12 – Gen13

Grau de Tecnologies de Telecomunicació

PRÀCTICA 1

Figura 9 – Representació dels senyals variant manualment Time/div b. Ja a les figures de l’apartat anterior s’observa com la representació dels senyals és més sorollosa del que seria desitjable. Per tal d’evitar això, i per tant obtenir mesures més acurades, és aconsellable fer servir la funció Average. Així, podem repetir la mesura de la Figura 7 amb un promitjat de 64 mostres, de manera que la millora és apreciable tal i com es mostra a la Figura 10 (a l’esquerra tenim la mesura sense promitjat i a la dreta aplicant el promitjat). Recordeu que per aplicar la funció Average s’ha de prémer el botó Acquire i seleccionar l’opció Average al costat de la pantalla, tot indicant el nombre de mostres (poden ser 4, 16, 64 o 128).

Figura 10 – Efecte del promitjat sobre el senyal de sortida mesurat A continuació mesurem el valor màxim del senyal de sortida, aplicant un promitjat de 64 mostres per tal de reduir l’error. Com es veu a la Figura 11, el valor màxim és de 5,8 V a CH2). Recordeu que per fer aquesta mesura cal fer servir el botó MEASURE i definir tant el canal com la mesura que volem fer.

Tecnologia Electrònica – Pràctica 1 - Set12-Gen13

Pàgina 8/29

11.511 – TECNOLOGIA ELECTRÒNICA Grau de Tecnologies de Telecomunicació

Semestre Set12 – Gen13

PRÀCTICA 1

Figura 11 – Mesura del valor màxim del senyal de sortida S’observa, doncs, que hi ha una diferència de 0.8 V respecte els 5.0 V que volíem implementar per V lim1. Per tal d’analitzar aquesta diferència podem seguir l’exemple 6 del mòdul 1, on es detallen els càlculs per a un limitador molt similar. Així, a les equacions (58) i (59) del mateix mòdul es calcula el punt de transició per a l’esmentat exemple. Refent els mateixos càlculs per al nostre cas particular, on Vlim1 = 5,0 V, Vγ = 0,65 V, R1 = 220 Ω i R2 = 10 kΩ, tenim: !! = !! = !!"#! + !! = 5,0 + 0,65 = 5.65! !! ! = !!

!! + !! !!

= 5,65

220 + 10000 = 5,77! 10000

(1) (2)

Aquest és el punt de transició que veurem al node A que es correspon al senyal de sortida representat al nostre oscil·loscopi. Aquests 5,77 V ja s’apropen molt als 5,8 V que mesurem. La diferència restant pot estar causada per la tolerància dels components muntats (tant al valor de les resistències com a la tensió llindar del díode) així com una petita part corresponent a l’error de mesura pròpia de qualsevol instrument.

c. La posició vertical (Vertical position) fixa la posició de la pantalla on es representen els 0 V per a aquest canal (per defecte en la meitat de la pantalla). Així, si augmentem la posició vertical del canal 1 veurem que el senyal d’entrada se surt de la pantalla per la part superior, tal i com es mostra a la Figura 12. D’igual manera, si ho disminuïm pel mateix canal 1 s’observa com el senyal se surt per la part inferior de la pantalla (veieu la Figura 13).

Tecnologia Electrònica – Pràctica 1 - Set12-Gen13

Pàgina 9/29

11.511 – TECNOLOGIA ELECTRÒNICA Semestre Set12 – Gen13

Grau de Tecnologies de Telecomunicació

PRÀCTICA 1

Figura 12 – Representació dels senyals augmentant la posició vertical de CH1

Figura 13 – Representació dels senyals disminuint la posició vertical de CH1 Pel que fa al canal 2, on representem el senyal de sortida, podem augmentar el Vertical position fins a aproximadament 1,6 V, de manera que podem representar tot el senyal de sortida dins la pantalla de l’oscil·loscopi amb 2 V/div, tal i com es mostra a la Figura 14.

Figura 14 – Representació dels senyals augmentant la posició vertical de CH2 d. Podem mesurar la freqüència dels senyals d’entrada i sortida fent servir el botó MEASURE i triant Source CH1, Source CH2 i Type Freq en ambdós casos. A la Figura

Tecnologia Electrònica – Pràctica 1 - Set12-Gen13

Pàgina 10/29

11.511 – TECNOLOGIA ELECTRÒNICA Semestre Set12 – Gen13

Grau de Tecnologies de Telecomunicació

PRÀCTICA 1

15 es representa la mesura de les freqüències per a dos valors de Time/div diferents: 10 µm i 100 µm. Es pot observar com, per tal de tenir una mesura més acurada, és convenient representar més d’un període del senyal. Així, si només representem un període la freqüència mesurada està al voltant de 10 kHz, mentre que si representem més períodes és de 11,0 kHz (la mateixa que havíem seleccionat amb el generador de funcions). Veiem, d’altra banda, que la freqüència no varia entre l’entrada i la sortida.

Figura 15 – Mesura de la freqüència d’entrada i sortida Per tal de mesurar el percentatge de temps (respecte un període del senyal) durant el qual el díode està limitant, podem fer servir el botó CURSOR i Type Time. Així, pel canal 1 podem mesurar el període del senyal d’entrada (que equival al de sortida), tal i com es veu a l’esquerra de la Figura 16. Noteu que també es mesura la freqüència, 11 kHz segons havíem definit al generador de funcions. Per la seva banda, al canal 2 podem mesurar el temps durant el qual el díode està limitant (mateixa Figura 16 a la dreta). Els valors mesurats són 0,091 ms i 0,023 ms respectivament, de manera que el percentatge que es demana és 25,3%.

Figura 16 – Mesura del temps durant el qual el díode limita el senyal e. Al circuit que teníem fins ara muntat només hem d’afegir un altre díode , l’ànode del qual anirà connectat a la font d’alimentació de -5 V. Per tant, el circuit finalment muntat hauria de tenir un aspecte similar al que es mostra a la Figura 17.

Tecnologia Electrònica – Pràctica 1 - Set12-Gen13

Pàgina 11/29

11.511 – TECNOLOGIA ELECTRÒNICA Semestre Set12 – Gen13

Grau de Tecnologies de Telecomunicació

PRÀCTICA 1

Figura 17 – Muntatge del circuit limitador complet Si tornem a representar els senyals d’entrada i sortida simultàniament, tal i com havíem fet als apartats anteriors, veurem que el circuit retalla el senyal de sortida tant per valors positius com negatius. La Figura 18 mostra el resultat de la mesura, on podem veure que el valor màxim del senyal de sortida és 5,8 V, el valor mínim és -6,0 V i la màxima excursió (valor pic a pic) és 11,8 V.

Figura 18 – Mesura del marge de sortida del circuit limitador c...