Информационные устройства и системы в мехатронике

Размещено на http://www.allbest.ru/

5

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Южно-Российский Государственный Технический Университет

(Новочеркасский Политехнический Институт)

Велегура В.А.

Методические указания к лабораторным работам

Информационные устройства и системы в мехатронике

Новочеркасск 2011

УДК 621.316.53

Рецензент канд. техн. наук, доцент Гринченков В.П.

Велегура В.А.

Информационные устройства и системы в мехатронике. Методические указания к лабораторным работам. / Южно-Российский государственный технический университет - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006. с.

В пособии изложена методика и особенности выполнения лабораторных работ по дисциплине «Информационные устройства и системы в мехатронике» Приведены общие теоретические положения, программа и порядок выполнения лабораторных работ, требования к отчету и контрольные вопросы для их защиты.

Методические указания предназначены для студентов специальности (22040165) Мехатроника, выполняющих цикл лабораторных работ по дисциплине «Информационные устройства и системы в мехатронике».

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторные работы по дисциплине «Информационные устройства и системы в мехатронике» проводятся для изучения особенностей построения и электрических характеристик датчиков и элементов сопряжения, используемых в информационных устройствах и системах мехатроники. В ходе лабораторных занятий закладываются навыки научного анализа и обобщения результатов экспериментальных исследований с целью углубления и закрепления теоретических знаний, полученных студентами на лекциях.

На лабораторных занятиях студентам прививаются практические навыки работы с лабораторным оборудованием, измерительной и вычислительной техникой.

В соответствии с учебной программой студенты выполняют восемь лабораторные работы, каждая из которых рассчитана на два часа учебных занятий.

Лабораторная работа № 1 - "Исследование резистивных датчиков положения".

Лабораторная работа № 2 - "Исследование автомобильного датчика температуры".

Лабораторная работа № 3 - "Исследование характеристик операционного усилителя".

Лабораторная работа № 4 - "Исследование импедансов электронных элементов".

Лабораторная работа № 5 - "Исследование характеристик оптических датчиков".

Лабораторная работа № 6 - "Исследование спектров периодических сигналов".

Лабораторная работа № 7 - "Исследование цифровых схем мехатроники".

Лабораторные работы выполняются на лабораторных комплексах, построенных на основе платформ National Instruments ELVIS, поддерживаемых с помощью пакета графического программирования LabVIEW. Каждая лабораторная работа включает в себя:

1. Подготовку к выполнению работы.

2. Непосредственное выполнение лабораторной работы.

3. Подготовку отчета по лабораторной работе и его защиту.

При подготовке к лабораторному занятию студенту в часы самостоятельной работы необходимо:

внимательно изучить методические указания к лабораторной работе, которую необходимо выполнить на предстоящем занятии;

используя рекомендованную литературу и конспект лекций, усвоить основные теоретические сведения, методы и технику измерений по данной работе, подготовить ответы на контрольные вопросы;

изучить лабораторную установку и измерительную аппаратуру, которая используется в данной работе;

подготовить проект отчета по работе, отразив в нем наименование работы, её цель, схему лабораторной установки и заготовки таблиц для записи результатов экспериментальных исследований.

Добросовестная подготовка к работе обеспечивает быстрое и качественное её выполнение, сокращает время на составление отчета.

Вначале занятия преподаватель в ходе коллоквиума проверяет уровень теоретической подготовки студента, знание им лабораторной установки и вопросов методики и техники измерений. Неподготовленные студенты к выполнению лабораторной работы не допускаются.

В ходе выполнения лабораторной работы необходимо:

1. Строго соблюдать меры техники безопасности при работе с электроустановками и измерительными приборами.

2. Соблюдать порядок включения и эксплуатации измерительных приборов при проведении экспериментальных измерений.

3. Тщательно и точно выполнять измерения.

4. Аккуратно вести отчет по работе, записывая в него все экспериментальные данные, схемы, таблицы, графики, необходимые расчеты и выводы.

После выполнения лабораторной работы каждый студент представляет для защиты отчет.

Отчет по лабораторной работе должен быть оформлен в соответствии со стандартом, и содержать наименование работы и её цель. В отчете необходимо изобразить схему лабораторной установки и указать программу выполнения работы. Далее приводятся номер и наименование проводимых экспериментов, таблицы с результатами измерений и графические зависимости. По каждому графику делаются соответствующие выводы. Отчет по работе может быть подготовлен с помощью персонального компьютера.

датчик операционный усилитель оптический сигнал

Глава 1. ЛАБОРАТОРНАЯ ПЛАТФОРМА NI ELVIS

Программно-аппаратная среда NI ELVIS включает в себя аппаратную составляющую для построения схем и выполнения измерений и программное обеспечение NI ELVIS. Аппаратная составляющая представляет настольную рабочую станцию (рис. 1.1), оснащенную специальной макетной платой, на которой можно собирать (макетировать) и исследовать любую электронную схему.

Рис. 1.1. Настольная рабочая станции NI ELVIS

Рабочая станция связана с персональным компьютером по шине PCI через специальную плату DAQ, которая установлена в компьютере. Аппаратное обеспечение NI ELVIS включает в себя функциональный генератор и регулируемые блоки питания, встроенные в настольную рабочую станцию. Их органы управления выведены на переднюю панель станции (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Панель управлении станции

(1 - индикатор «Питания», 2 - переключатель «питания»,

3 - переключатель «Связь», 4 - элементы управления регулируемыми блоками питания,

5 - элементы управления функциональным генератором, 6 - клеммы мультиметра,

7 - клеммы осциллографа)

Программное обеспечение NI ELVIS создано в LabVIEW и представляют собой виртуальные приборы (ВП) для программирования функций и управления настольной рабочей станцией NI ELVIS. Виртуальные приборы запускаются специальным модулем Instrument Launcher (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Запускающий модуль

Написанные на LabVIEW программы-приборы NI ELVIS вместе с прибором DAQ обеспечивают функциональные возможности следующих физических устройств:

* Генератор сигналов произвольной формы (Arbitrary Waveform Generator);

* АЧХ/ФЧХ анализатор (Bode Analyzer);

* Устройство чтения с цифровой шины (Digital Reader);

* Устройство записи на цифровую шину (Digital Writer);

* Цифровой мультиметр (Digital Multimeter);

* Анализатор динамических сигналов (Dynamic Signal Analyzer);

* Функциональный генератор (Function Generator);

* Анализатор импеданса (Impedance Analyzer);

* Осциллограф (Oscilloscope);

* Вольтамперный анализатор двухпроводной линии (Two-wire Current-Voltage Analyzers);

* Вольтамперный анализатор трехпроводной линии (Three-wire Current-Voltage Analyzers);

* Регулируемые источники питания (Variable Power Supplies).

Нажимая кнопки на экране монитора (рис. 1.3) можно активизировать соответствующий виртуальный прибор для проведения измерений.

Глава 2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗИСТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Цель лабораторной работы

Изучить принцип действия и конструкцию резистивного датчика положения, исследовать его характеристики, экспериментально проверить расчетные соотношения.

2. Основные теоретические положения

Резистивный датчик положения (РДП) представляет собой резистивный сенсорный элемент, включенный по схеме делителя напряжения, сопротивление которого регулируется положением подвижного контакта. РДП относится к преобразователям с абсолютным отсчетом, т.к. их функция преобразования монотонна и непрерывна, благодаря чему кратковременная потеря информации не приводит к накоплению погрешности. Сопротивление R_O РДП в процессе работы изменяется по линейному закону:

где - относительное перемещение движка РДП.

Рис. 2.1

РДП сопротивлением R₀ , подключается к ЭДС Е_и с собственным сопротивлением R_и (рис. 2.1а). В общем случае, напряжение на выходе РДП, подаваемое на следующий каскад преобразователя (например, усилитель), с входным сопротивлением R_н равно:

В частном случае, при питании датчика от источника напряжения (R_и = 0), имеем Е_и = U_и. При этом выходной сигнал РДП пропорционален сопротивлению R₂₃ (образованному частью РДП R(х) = R₂ и нагрузкой R_н):

где

Тогда, при отсутствии нагрузки на РДП R_н = , R₀ = R₁ + R₂, и поэтому U₂/U_и = R₂/R₀, а функция преобразования линейна. В реальных режимах условие R_н = невыполнимо и функция преобразования нелинейна.

В схеме делителя напряжения с параметрами (R₀, U_и) перемещение подвижного контакта РДП в относительных единицах , изменяется от 0 до 1. В этом случае функция преобразования U₂₃ = f() определяется выражением:

(1)

где - коэффициент нагрузки.

Погрешность нелинейности РДП обусловлена отклонением отношения U_вых/U_и нагруженного датчика от ненагруженного. Величина относительной погрешности нелинейности _нл равна

 (2)

Параметр _нл и чувствительность РДП зависят от величины относительного перемещения движка и сопротивления нагрузки (рис. 2.1а). Наибольшее отклонение реальной кривой от идеальной имеет место при = 2/3

(3)

Для линеаризации функции преобразования в плечо РДП включается дополнительный резистор R_л - сопротивление линеаризации. Теоретически, при R_л = R_н достигается максимальная линеаризация функции преобразования. В данной лабораторной работе исследуется резистивный датчик положения в виде линейного потенциометра, устанавливаемый на макетной плате совместно с дополнительными элементами. Измерения выходного напряжения, снимаемого с нагрузки, производится с помощью виртуального мультиметра станции NI ELVIS.

3. Программа работы

1. Экспериментально проверить зависимость выходного напряжения резистивного датчика положения от относительной величины перемещения движка для различных значений сопротивления нагрузки.

2. Исследование влияния сопротивления линеаризации на линейность функции преобразования резистивного датчика положения.

4. Состав лабораторного оборудования

Лабораторная установка состоит из настольной рабочей станции NI ELVIS (рис. 1.1). В качестве резистивного датчика используется линейный потенциометр типа СП3. Величина сопротивления датчика R₀ = 52 кОм. В качестве сопротивлений нагрузок используются резисторы МЛТ, номиналом R_н1 = 100 кОм, R_н2 = 24 кОм, R_н3 = 6,8 кОм. Сопротивления линеаризации равны R_л1 = 47 кОм, R_л1 = 22 кОм. Электрическая схема исследования резистивного датчика положения (РДП) приведена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Схема исследования резистивного датчика положения.

Датчик с помощью проводников (a, b, c) подключается к клеммам макетной платы (1, 2, 3). К этим же точкам подключаются сопротивления нагрузки R_н и сопротивления линеаризации R_л. Клеммы 2-3 соединяют с зажимами (HI, LO) виртуального мультиметра на передней панели рабочей станции NI ELVIS или с соответствующими гнездами на монтажной плате.

5. Порядок выполнения лабораторной работы

Исследование зависимости функции преобразовании РДП от величины сопротивления нагрузки.

1. Собрать электрическую схему исследования РДП согласно рис. 2.2, без сопротивления нагрузки (R_н = ) и сопротивления линеаризации (R_л = ).

2. Активизировать виртуальный прибор Digital Multimeter (Цифровой мультиметр), проверить схему и подать питание на макетную плату.

3. Изменяя относительную величину перемещения щетки датчика , (от 0 до 1, через 0,1), измерить напряжение на его выходе. Результаты записать в таб. 2.1.

Таблица 2.1. Результаты исследования функции преобразования РДП (R_л = )

	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	…	1,0
Rн=	Uвых
	Uвых/ Uи
Rн1=100кОм	Uвых
	Uвых/ Uи
Rн2=24 кОм	Uвых
	Uвых/ Uи
Rн3=6,8кОм	Uвых
	Uвых/ Uи
Rн3=6,8кОмрасчет
	Uвых/ Uи

4. Провести аналогичные измерения (при R_л = ) для R_н1, R_н2, R_н3. по результатам экспериментов построить графики (4 графика в одной системе координат), проанализировать их и сделать вывод.

5. Для R_н3 по формуле 1 провести расчет значения U_вых/ U_и для разных значений , сравнить их с результатами эксперимента (построить график) и сделать выводы.

6. Для R_н3 по формуле 2 провести расчет и построить график зависимости величины относительной погрешности нелинейности _нл от величины .

7. Исследование влияния сопротивления линеаризации на функцию преобразования РДП.

1. Подключить к датчику резисторы R_н3= 6,8 кОм и R_л1 = 47 кОм. Провести измерения выходного н7апряжения и рассчитать U_вых/ U_и для разных значений . Результаты занести в таблицу 2.2.

2. Провести аналогичные измерения для R_л2=22 кОм. По результатам эксперимента построить графики (2 графика в одной системе координат), проанализировать их и сделать выводы.

Таблица 2.2. Результаты исследования функции преобразования РДП (R_н3 = 6,8 кОм)

	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	…	1,0
Rл1=47 кОм	Uвых
	Uвых/ Uи
Rл2=22 кОм	Uвых
	Uвых/ Uи

Контрольные вопросы

1. Поясните, как устроены резистивные датчики линейного и углового положения?

2. Что представляет собой функция преобразования резистивного датчика положения?

3. На какой параметр функции преобразования резистивных датчиков положения влияет нагрузка?

4. Как определяется коэффициент нагрузки резистивного датчика положения?

5. Каким образом определяется относительная величина погрешности линейности графика функции преобразования РДП?

6. Как определяется наибольшее отклонение реальной кривой функции преобразования РДП от идеальной?

7. Каким образом можно повысить линейность графика функции преобразования РДП?

Лабораторная работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОМОБИЛЬНОГО ДАТЧИКА ТЕМПЕРАТУРЫ

Цель лабораторной работы

Исследовать функцию преобразования автомобильного датчика температуры охлаждающей жидкости при различных схемах его включения в измерительную схему. Провести с помощью датчика мониторинг изменения температуры во времени.

Основные теоретические положения

Датчик температуры охлаждающей жидкости (ДТОЖ) устанавливается на впускном патрубке системы охлаждения в потоке охлаждающей жидкости двигателя (рис.2.4).

Рис.2.4.Внешний вид и расположение датчика температуры охлаждающей жидкости:(а - внешний вид датчика ДТОЖ (дет. 2112-3851010); б - расположение ДТОЖ).

Термистор, находящийся внутри датчика, является термистором с "отрицательным температурным коэффициентом" - при нагреве его сопротивление уменьшается. Высокая температура охлаждающей жидкости вызывает низкое сопротивление (70Ом + 2%при130°С),а низкая температура дает высокое сопротивление (100700 Ом + 2% при -40 °С).Контроллер подает на датчик температуры охлаждающей жидкости напряжение 5 В через резистор с постоянным сопротивлением, находящимся внутри контроллера.

Температуру охлаждающей жидкости контроллер рассчитывает по падению напряжения на датчике, имеющем переменное сопротивление. Падение напряжения большое на холодном двигателе, и низкое на прогретом. Зависимость сопротивления датчика от температуры охлаждающей жидкости приведена в таблице 2.4 и графике рис. 2.5.

Таблица 2.4. Зависимость сопротивления термодатчика от температуры.

Т0С	0	5	10	15	20	25	30	40	45	50	60	70	80	90	100
Rд,к	9,72	7,44	5,76	4,45	3,52	2,8	2,23	1,45	1,18	0,97	0,67	0,47	0,33	0,24	0,18

Рис. 2.5. Зависимость сопротивления датчика от температуры t⁰C.

Зависимость сопротивления датчика температуры в рабочем диапазоне температур достаточно точно описывается выражением

, (1)

где R - сопротивление датчика при данной температуре;

Т - температура, ^оК;

е - основание натурального логарифма;

А и В - коэффициенты, постоянные для данного датчика. Зависимость (1) называется температурной характеристикой. Для вычисления коэффициентов А и В достаточно подставить два известных значения сопротивления и соответствующие им температуры в выражения (1). Данными сопротивлениями могут быть сопротивление датчика R₁=3,52 кОм при комнатной температуре Т₁ = 293^оК (20^оС) и сопротивление датчика R₂=0,18 кОм , например, при температуре Т₂ = 373^оК (100^оС). Подстановка указанных значений приводит к системе уравнений относительно А и В

(2)

Подставляя соотношения (2) в выражение (1) получим температурную характеристику датчика температуры охлаждающей жидкости

(3)

Датчик подключается к контроллеру по схеме, представленной на рис.2.6.

Рис. 2.6. Обычно величину R₁ выбираю такой, чтобы ток в цепи не превышал 1mA . ком случае исключается самонагрев датчика.

Напряжение на выходе датчика описывается соотношением

(4)

Если известно напряжение U₀ и R₁ то сопротивление датчика R_Д можно выразить через U_ВЫХ из соотношения (4)

(5)

Подставляя в (4) значение из (3) и переходя от ⁰К к ⁰С, получим выражение для функции преобразования автомобильного датчика температуры охлаждающей жидкости

(6)

Функция преобразования ДТОЖ является нелинейной. Для повышения линейности функции часто параллельно датчику включают дополнительный резистор R_Л. Подбором этого резистора линейность можно повысить в достаточно широком диапазоне температур.

Программа работы

1. Исследовать функцию преобразования автомобильного датчика температуры охлаждающей жидкости.

2. Проверить возможность управления линейностью функции преобразования автомобильного датчика температуры охлаждающей жидкости.

3. Провести мониторинг изменения температуры окружающей среды с помощью датчика и виртуального прибора, созданного в LabVIEW.

Состав лабораторного оборудования

Лабораторная установка состоит из настольной рабочей станции NI ELVIS (рис. 1.1). Для проведения экспериментальных измерений используется автомобильный датчик температуры охлаждающей жидкости и набор резисторов R₁ = 6,8 кОм, R_л1 = 9,1 кОм, R_л2 = 24 кОм. Схема соединения датчика и вспомогательных резисторов изображена на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Схема исследования датчика температуры.

Порядок выполнения работы

Исследование функции преобразования температурного датчика.

1. Собрать на макетной плате электрическую схему исследования ДТОЖ согласно рис. 2.7, не включая сопротивления линеаризации (R_Л = ).

2. Активизировать виртуальный прибор Digital Multimeter (Цифровой мультиметр рис. 1.4), проверить схему и подать питание на макетную плату.

3. Записать в таблицу 2.5 значение напряжения на выходе датчика при комнатной температуре.

Таблица 2.5. Результаты исследования функции преобразования ДТОЖ.

UВЫХ, В
RД, кОм
Т0С

4. Нагревая рукой датчик температуры, записать ещё несколько значений напряжения на его выходе (6 - 8 значений). Выключить питание платы.

5. Для полученных значений выходного напряжения U_ВЫХ и известных величин U_О = 5 В и R₁ = 6,8 кОм по формуле (4) определить значение R_Д, кОм, а по нему с помощью температурной характеристики (рис. 2.4) температуру. Полученные значения занести в табл.2.5.

6. Построить график функции преобразования U_ВЫХ(Т⁰С), проанализировать его и сделать вывод. Оценить линейность графика.

Проверка изменения линейности функции преобразования.

1. Подключить к измерительной схеме резистор линеаризации R_л1 = 9,1 кОм и повторить измерения, аналогичные пункту 5.1. Далее заменить резистор линеаризации R_л1 на R_л2 = 24 кОм и снова провести измерения. Результаты записать соответственно в табл. 2.6 и 2.7.

2. Построить графики функции преобразования датчика для различных значений R_Л ( , 9,1 кОм, 24 кОм), проанализировать их и сделать выводы относительно их линейности.

Мониторинг изменения температуры окружающей среды с помощью датчика

1. Собрать на макетной плате электрическую схему исследования ДТОЖ согласно рис. 2.6, не включая сопротивления линеаризации (R_Л = ). Выход датчика (точка 2 на рис. 2.6) подключить к аналоговому входу общего назначения АСН0+ (канал 0).

2. По указанию преподавателя активизировать виртуальный прибор LabVIEW для проведения мониторинга изменения температуры.

3. Нагревая датчик рукой, наблюдать, как изменяется во времени температура, фиксируемая датчиком. По результатам наблюдения сделать выводы.

Контрольные вопросы

1. На каком принципе работают автомобильные датчики температуры охлаждающей жидкости?

2. По какой схеме подключаются ДТОЖ к контроллеру?

3. Из каких соображений выбирают величину сопротивления ограничивающего резистора R₁?

4. По какому закону изменяется величина сопротивления ДТОЖ с ростом температуры?

5. Запишите выражение для функции преобразования ДТОЖ.

6. На что влияет величина сопротивления резистора, включенного параллельно датчику?

7. Запишите выражение, отражающее зависимость температуры, измеряемой ДТОЖ, от его выходного напряжения.

Лабораторная работа № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

1. Цель лабораторной работы

Исследовать характеристики базовых схем включения операционных усилителей, используемых для усиления, фильтрации и коррекции сигналов, поступающих с датчиков мехатронных устройств.

2. Основные теоретические положения

Операционные усилители (ОУ) являются основной частью всей современной электронной измерительной аппаратуры. Их гибкость, стабильность и способность выполнять различные операции делает ОУ идеальным средством для обработки аналоговых сигналов.

Обычно ОУ представляет собой дифференциальный усилитель с очень высоким коэффициентом усиления и биполярным выходом. В реальных ОУ коэффициент усиления может быть от 10.000 до 20.000.000.

При высоком значении коэффициента усиления достаточно трудно управлять усилителем и удерживать его от насыщения. Применяя отрицательную обратную связь, в которой сигнал с выхода усилителя приходит на вход в противофазе с входным сигналом, можно сделать усилитель более стабильным.

Принципиальная схема, показанная на рис.2.9, представляет собой наиболее распространенную схему включения ОУ. Цепь обратной связи в этом случае представляет собой единственный резистор R_f, который служит для передачи части выходного сигнала обратно на вход. Тот факт, что резистор соединен с инвертирующим входом, указывает на отрицательный характер обратной связи. Входное напряжение (V₁) вызывает протекание входного тока i₁ через резистор R₁. Положительный вход чаще всего заземляют.

Рис. 2.9. Схема включения операционного усилителя.

Напряжение на выходе операционного усилителя может быть определено следующим соотношением

V_вход = - (R_f / R₁) V₁ = - GV₁ . (1)

Отношение сопротивлений резисторов R_f к R₁ (R_f / R₁) называется коэффициентом передачи усилителя, охваченного обратной связью (G), а знак минус означает, что выходной сигнал инвертирован. Следует обратить внимание, что коэффициент усилителя, охваченного обратной связью, можно установить посредством выбора сопротивлений двух резисторов, R₁ и R_f. ,

Если в цепь обратной связи вместо резистора R_f включить частотнозависимый элемент (емкость или индуктивность), то коэффициент усиления операционного усилителя будет изменяться с частотой. Выходное напряжение будет зависеть от амплитуды и частоты входного напряжения.

В общем случае, во входную цепь и в цепь обратной связи можно включать реактивные двухполюсники (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Варианты реактивных двухполюсников

Данные двухполюсники характеризуются собственными импедансами Ї₁ и Ї_f.

При наличии реактивных двухполюсников коэффициент передачи (усиления) ОУ становится комплексным. У такого усилителя изменяется с частотой не только амплитуда выходного напряжения, но и фаза.

В данной лабораторной работе исследуются передаточная характеристика операционного усилителя в зависимости от значения элементов на входе усилителя и в цепи обратной связи. Для расчета импедансов рассмотренных двухполюсников можно воспользоваться программой «Расчет RC. vi».

3. Программа работы

1.Экспериментальное исследование передаточной характеристики базовой схемы включения операционного усилителя КР140УД6.

2. Исследование фильтров, построенных на основе операционного усилителя КР140УД6.

4. Состав лабораторного оборудования

Лабораторная установка состоит из настольной рабочей станции NI ELVIS (рис. 1.1). Для проведения экспериментальных измерений используется операционный усилитель КР140УД6А, резисторы R₁ = 10 кОм и R₂ = 100 кОм , R₃ = 51 кОм а также конденсаторы емкостью C₁ = 1 мкФ и С₂ = 0,001 мкФ. Варианты исследуемых схем изображены на рис. 2.11. Для измерения и наблюдения сигналов используются виртуальные приборы: цифровой мультиметр (Digital Multimeter), функциональный генератор (Function Generator), осциллограф (Oscilloscope) и АЧХ/ФЧХ анализатор ( Bode Analyzer).

Рис. 2.11. Варианты операционных усилителей.

5. Порядок выполнения работы

5.1 Исследование базовой схемы включения операционного усилителя

1. Установите на монтажной плате резисторы и конденсаторы, входящие в комплект лабораторной работы. С помощью запускающего модуля (рис. 1.4) активизируйте виртуальные приборы: цифровой мультиметр (Digital Multimeter) и функциональный генератор (Function Generator).

2. Подключая последовательно резисторы и конденсаторы к Мультиметру, в режиме DMM[] и DMM[C], измерьте их сопротивление и емкость, и запишите для дальнейшего расчета.

3. Соберите на макетной плате NI ELVIS базовую схему включения ОУ (рис. 2.11а). Включить резисторы R₁ = 10 кОм и R₂ = 100 кОм. Вход усилителя подключите к функциональному генератору (гнезда «FUNC-OUT» и «GROUND»). Выходное напряжение ОУ подайте на гнезда осциллографа [CHA+] и [CHA-]. Рассчитайте для данного усилителя коэффициент усиления К= R₂/R₁ .

4. Еще раз проверьте схему и подайте питание на монтажную плату. Настройте функциональный генератор в «программном» режиме на частоту 1000 Гц. В качестве источника для канала А на лицевой панели осциллографа установите [BNC/Board CH A]. Для наблюдения за входным сигналом в канале Б источником для него сделайте [FGEN FUNC_OUT]. Изменяя амплитуду сигнала, подаваемого на вход ОУ от 0 до 1 В (через 0,1 В), измерьте амплитуду сигнала на выходе усилителя и результаты запишите в таблицу 2.6. Обратите внимание по экрану осциллографа, как изменяется сигнал на выходе ОУ по сравнению с сигналом на его входе.

Таблица 2.6. Результаты исследования передаточной характеристики ОУ

UВХ, В	0	0,1	0,2	0,3	0,4	. . .	1
UВЫХ, В
К= UВЫХ/ UВХ

5. Перестройте функциональный генератор на частоту 30000 Гц и повторить измерения по п.4. Выключите питание монтажной платы. Постройте графики зависимости U_ВЫХ (U_ВХ) для двух частот, проанализировать их и сделать выводы. Обратите внимание на характер изменения коэффициента передачи К при изменении частоты входного сигнала. Сравните его с расчетным значением.

5.2 Исследование фильтров на основе операционного усилителя

1. Отключите вход и выход ОУ от генератора и осциллографа. Добавьте к входному резистору R₁ последовательно конденсатор С₁ . Получим схему фильтра верхних частот (ФВЧ) на основе ОУ (рис. 2.11b). Определите нижнюю частоту среза данного фильтра по формуле

.

На этой частоте КУ(дБ) схемы спадает на 3 дБ.

2. Для наблюдения АЧХ и ФЧХ активизируйте ВП Bode Analyzer (Анализатор Боде) из меню запуска инструментов NI ELVIS. Входной (V₁) и выходной (V₂) сигналы на контакты аналогового ввода в соответствии со следующей схемой:

- V₁₊ , V_1- входы усилителя подключите к функциональному генератору (к гнездам «FUNC-OUT» и «GROUND») и соответственно, к гнездам ACH1+ и ACH1-,

- V_out+, V_out- выходы усилителя к гнездам ACH0+ и ACH0- .

3. Установите на ВП Bode Analyzer следующие значения параметров:

- начальная частота (Start) - 5 Hz;

- конечная частота (Stop) - 50000 Hz,

- количество шагов на декаду (Steps) - 10 (per decade).

Нажмите кнопку и наблюдайте АЧХ и ФЧХ усилителя на ВП Bode Analyzer.

Проверьте, соответствует ли частота среза на графике рассчитанному значению f_н (Гц). Снимите копию характеристик в тетрадь для подготовки отчета.

4. Выключите питание монтажной платы, и измените схему ОУ в соответствии с рис. 2.11с. Данная схема соответствует фильтру нижних частот (ФНЧ). Рассчитайте верхнюю частоту среза данного фильтра по следующей формуле

.

Включите питание платы и наблюдайте АЧХ и ФЧХ усилителя на ВП Bode Analyzer. Проведите анализ характеристик, снимите копии и сделайте выводы о том, как изменились характеристики по сравнению с характеристиками ФВЧ. Соответствует ли верхняя частота среза рассчитанному значению f_В (Гц) 5. Соберите схему полосового усилителя (рис. 2.11d) и проведите аналогичные исследования с помощью ВП Bode Analyzer. Проанализируйте характеристики и сделайте выводы.

6. Контрольные вопросы

1. Почему операционные усилители имеют два входа?

2. От чего зависит величина выходного напряжения операционного усилителя?

3. Каким образом рассчитывается коэффициент усиления операционного усилителя, охваченного цепью обратной связи?

4. Каким образом строятся инвертируемые и не инвертируемые операционные усилители?

5. Изобразите схему ФНЧ и ФВЧ построенных на основе операционных усилителей.

6. Как определяются частоты среза ФНЧ и ФВЧ?

7. Рассчитайте переходную характеристику ФНЧ и ФВЧ, построенного на основе операционного усилителя.

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПЕДАНСОВ ЭЛЕКТРОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

1. Цель лабораторной работы

Приобретение практических навыков построения виртуальных приборов на основе пакета LabVIEW для цифровой обработки и статистического исследования измеряемых величин в АСНИ.

2. Основные теоретические положения

Информационные устройства мехатроники кроме чувствительных элементов включают в себя дополнительные электронные элементы: резисторы R, емкости C, индуктивности L. Резистор является активным элементом, а емкость и индуктивность - реактивными.

Их принципиальное отличие состоит в следующем:

- сопротивление резистора не зависит от частоты, а сопротивление емкости и индуктивности - зависит;

- на резисторе при протекании по нему тока выделяется активная (тепловая) мощность, в то время как на емкости и индуктивности в среднем за период переменного тока она равна нулю;

- ток и напряжение на резисторе всегда совпадают по фазе. На емкости ток опережает напряжение по фазе на 90⁰, а на индуктивности наоборот ток отстает по фазе на 90⁰ от напряжения.

В общем случае любой двухполюсник, содержащий R, C, L характеризуется импедансом, который представляет собой комплексное сопротивление

В показательной форме импеданс определяется следующими соотношениями

,

где

Величина Ї называется модулем импеданса, а - его аргументом

Для отдельных электронных компонентов импедансы равны:



Соглашения, принятые для напряжений и токов, позволяют записать закон Ома в следующей простой форме:

означающее, что напряжение U, приложенное к схеме с импедансом Z , порождает ток I.

Импеданс последовательно и параллельно соединенных элементов определяется по тем же правилам, что и сопротивление последовательно и параллельно соединенных резисторов.

Однако математические операции здесь необходимо выполнять применительно к комплексным числам. Это касается и к комплексным амплитудам напряжений и токов. Так импеданс двухполюсника, состоящего из последовательно включенных резистора и емкости, равен

Импеданс удобно изображать в декартовой системе координат в виде вектора, длиной Ї.

На горизонтальной оси откладываются значения R, а на вертикальной - значения Х. Угол между осью R и вектором Ї соответствует аргументу импеданса (рис. 2.12).

В данной лабораторной работе исследуются импедансы различных двухполюсников, составленные из резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности. Измерение импеданса элементов проводятся с помощью виртуального прибора - Impedance Analyzer (анализатор импеданса).

Рис. 2.12. Изображение импеданса на плоскости.

3. Программа работы

1. Исследование импедансов электронных элементов и двухполюсников, составленных из них.

2. Исследование частотных свойств импедансов двухполюсников, используемых в качестве элементов мехатроники.

4. Состав лабораторного оборудования

Лабораторная установка состоит из настольной рабочей станции (рис. 1.1), оснащенной специальной макетной платой (рис. 1.2). Для проведения экспериментальных измерений используется набор элементов, состоящий из резистора сопротивлением 510 Ом, конденсатора, емкостью 1 мкФ, и катушка индуктивности. Схемы двухполюсников, которые исследуются в работе , представлены на рис. 2.13.

Рис. 2.13. Схемы исследуемых двухполюсников.

В качестве измерительных приборов в данной лабораторной работе используются виртуальные приборы NI ELVIS: Digital Multimeter (Цифровой мультиметр) и Impedance Analyzer (Анализатор импеданса).

5. Порядок выполнения работы

1. С помощью запускающего модуля (рис. 1.4) активизируйте виртуальные приборы Digital Multimeter (Цифровой мультиметр) и Impedance Analyzer (Анализатор импеданса).

2. Установить на монтажной плате NI ELVIS резистор, конденсатор и катушку. Последовательно подключая их ко входу мультиметра, измерить и записать значение сопротивления резистора, емкость конденсатора и индуктивность катушки:

R = Ом;

С = kФ;

L = Гн.

3. С помощью анализатора импеданса измерить импеданс отдельных элементов на частоте 1 кГц и 30 кГц. Обратите внимание на то, как изменяется величина активной и реактивной составляющих импеданса емкости и индуктивности при переходе с минимальной на максимальную частоту. Сделать выводы.

4. Для приведенных на рис. 2.13 схем, рассчитать модуль и аргумент импеданса. Импеданс рассчитать на частоте, заданной преподавателем.

4. Собрать на макетной плате соответствующие схемы и с помощью Анализатор импеданса измерить их импеданс и сравнить с результатами расчетов. Сделать выводы.

5. Собрать схему (рис. 2.13d) и снять частотную зависимость модуля и аргумента данного двухполюсника для двух значений сопротивления резистора R = 0 Ом и R = 510 Ом.

Изменяя частоту через 5 кГц от 1 до 30 кГц, результаты записать в таблицу 2.7.

Таблица 2.7 Результаты измерения импеданса двухполюсника.

F, кГц	1	5	10	15	. . .	30
R=0 Ом	Ї
R=510 Ом	Ї

6. Построить графики, проанализировать их и сделать выводы.

6. Контрольные вопросы

1. По каким параметрам отличаются резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности?.

2. Что понимается под импедансом двухполюсников?

3. В какой форме записывается выражение для импеданса двухполюсников?

4. Как вычисляется модуль и аргумент импеданса электрических элементов и двухполюсников, построенных на их основе?

5. Как изменяется с частотой модуль и аргумент импеданса последовательно и параллельно соединенных емкости и индуктивности?

6. Определите модуль и аргумент напряжения на емкости С =3 мкФ, последовательно соединенной с резистором R = 100 Ом, если к данному двухполюснику приложено напряжение частотой f = 20 кГц и амплитудой U =2 В?

7. Как влияет на величину импеданса двухполюсника (рис. 4.2d) значение сопротивления резистора R?

Лабораторная работа № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

1. Цель лабораторной работы

Изучить свойства и характеристики светодиода и фотодиода как элементов оптических датчиков, применяемых в мехатронных модулях и системах.

2. Основные теоретические положения

Бесконтактное измерение ряда физических величин, например, перемещений, вибраций, температуры и т.д., оказывается возможным лишь с помощью оптических датчиков. При этом информация передается не по кабелю, а световыми волнами, которые могут изменяться по интенсивности, фазе, цвету или геометрическому распределению в пространстве. Простейшим оптическим датчиком является фотоячейка, состоящая из источника света (лампа накаливания или светодиод) и приемника (фотодиода или фототранзистора).

Нарушение передачи света от источника к приемнику служит информацией о нахождении объекта в фотоячейке. Если число импульсов отнести к единице времени, то можно получить информацию о количестве деталей на конвейере или о скорости вращении коленчатого вала автомобиля. Фотоячейки получили широкое применение в электронике для развязки цепей постоянного тока - это так называемые оптронные пары или оптроны.

В современных оптических датчиках в качестве источника света используют светодиоды. Светодиод, подобно любому другому полупроводниковому устройству с p-n переходом, хорошо проводит ток в прямом направлении и плохо - в обратном. В этом случае светодиод преобразовывает электрическую энергию в оптическую. Вспомните, что если построить зависимость тока через диод от приложенного напряжения, результирующая линия не будет прямой. Следовательно, светодиод не подчиняется закону Ома, или говорят, он не является омической нагрузкой.

Основными параметрами промышленных светоизлучающих диодов являются:

1. Сила света I_св - излучаемый диодом световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в направлении, перпендикулярном плоскости излучающего кристалла. Указывается при заданном значении прямого тока и измеряется в канделах (люмен на стерадиан);

2. Яркость L - величина, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности. Измеряется в канделах на квадратный метр при заданном значении прямого тока через диод;

3. Постоянное прямое напряжение U_пр - значение напряжения на светодиоде при протекании через него постоянного прямого тока;

4. Максимально допустимый постоянный прямой ток I_пр.max -максимальное значение прямого тока, при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе диода;

Основными характеристиками светодиода как источника света являются:

Яркостная характеристика - зависимость яркости от прямого тока, т. е.

;

Световая характеристика - зависимость силы света от прямого тока, т. е. I_св = f (I_пр.). Эта часть характеристики является важнейшей - ее вид определяет оптимальный режим работы светоизлучающего диода. Часто зависимость яркости или силы света от прямого тока выражается в относительных единицах и показывает, насколько снижается или увеличивается яркость данного прибора при изменении тока через диод.

Спектральная характеристика - зависимость интенсивности излучения от длины волны излучаемого света (дает представление о цвете свечения прибора, рис. 2.14. Для синего (Blue) светодиода длины волны излучаемого света лежит в области 454,5 - 489,5 нм, для зеленого (Green) в области 508, 5 - 543,5 нм, а для красного (Red) в области 617,5 - 634,5 нм.

Рис. 2.14. Спектральные характеристики светодиодов

Вольт-амперная характеристика - зависимость прямого тока от напряжения. Аналогична характеристике обычного выпрямительного диода, но из-за большей ширины запрещенной зоны, чем у кремния, сдвинута вправо, т. е. при одинаковом токе падения напряжения больше.

Фотодиод тоже является диодом на p-n переходе и также не подчиняется закону Ома. Фотодиоды предназначены для преобразовании световой энергии в электрическую. Они широко используются для детектирования и измерения оптического излучения. Фотодиоды большой площади, называемые фотогальваническими элементами или солнечными батареями, могут применяться для получения электрической энергии непосредственно из солнечного света.

Фотодиоды характеризуются своей интегральной чувствительностью (R) обычно измеряемой в единицах Ампер/Ватт. Фотодиоды неодинаково реагируют на разные длины волн (цвет) световых лучей. Спектральная характеристика фотодиода зависят от: (1) материала, из которого он сделан (кремний - наиболее часто используемый материал, но применяются и другие полупроводниковые материалы), (2) технологии процесса изготовления, а также (3) характеристик оптического фильтра (если он используется), установленного между источником света и активной поверхностью фотодиода. В лабораторной работе исследуются трехцветный (красный, зеленый и синий) комбинированный светодиод LF59EMBGBC и кремниевый фотодиод типа ФДК-155.

По мере увеличения электрического тока, проходящего через светодиод, возрастает его выходная оптическая мощность. В данном эксперименте, для измерения характеристик светового выхода светоизлучающего диода, при увеличении проходящего через него тока, вы будете использовать кремниевый фотодиод. Данный фотодиод реагирует на длины волн от 400 нм (соответствует фиолетовому свечению) и свыше 1100 нм (инфракрасная область). Кривая спектральной чувствительности фотодиода показана на рис. 2.15.

Использованные в данной лабораторной работе светодиод и фотодиод имеют эффективность менее 100 %. Для светодиода это означает, что излучаемая им оптическая мощность намного меньше, чем электрическая мощность протекающего через него тока. Аналогично, фотодиод производит электрической мощности намного меньше, чем оптическая мощность света, падающего на него.

Рис. 2.15. Спектральная чувствительность фотодиода

Эффективность определяется как отношение произведенной мощности к приложенной. Для определения эффективности светодиода вам необходимо разделить величину выходной оптической мощности на электрическую мощность, подводимую к светодиоду.

Обычно к источнику питания светодиоды подключаются через резистор, ограничивающий его максимальный ток.

3. Программа работы

1. Исследование вольтамперных характеристик светодиода LF59EMBGBC для различных спектральных областей.

2. Исследование вольтамперной характеристики фотодиода ФДК-155.

4. Состав лабораторного оборудования

Лабораторная установка состоит из настольной рабочей станции NI ELVIS (рис. 1.1). Для проведения экспериментальных измерений используется дополнительная плата, на которой смонтирована фотоячейка, состоящая из светодиода LF59EMBGBC и фотодиода ФДК-155. Схема соединения датчика и вспомогательных резисторов изображена на рис. 2.16.

Рис. 2.16. Схема соединения светодиода и фотодиода с резисторами R1 и R2.

5. Порядок выполнения работы

5.1. Исследование вольтамперных характеристик светодиода и фотодиода.

1. На монтажную плату станции NI ELVIS установите вспомогательную плату с размешенными на ней светодиодом и фотодиодом. Светодиод подключите к клеммам Supply и Ground управляемого источника питания + 12В (Variable Power) согласно схеме (рис. 2.16).

2. Установите перемычку на вспомогательной плате в положение, соответствующее зеленному цвету светодиода.

3. Подключите нагрузку фотодиода R1 = R_наг.= 6,8 кОм к клеммам HI и LO виртуального цифрового мультиметра DMM(V).

4. С помощью запускающего модуля (рис. 1.4) активизируйте виртуальный прибор Digital Multimeter (Цифровой мультиметр) и управляемый источник питания Variable Power, проверьте схему и подайте питание на макетную плату.

5. Изменяя на экране монитора с помощь манипулятор «мышь» напряжение управляемого источника питания U_сд (от 0 до +12 В) через каждые 1 В, наблюдайте за увеличением яркости светодиода и показаниями мультиметра, отражающему напряжение на нагрузке фотодиода U_фд.

6. Результаты измерений занесите в соответствующие строки таблицы 2.8.

Таблица 2.8. Исследование вольтамперных характеристик оптического датчика

Uсд, В	0	1	2	3	. . .	12
Iсд= Uсд/680, A
Pсд= Uсд Iсд, Bт
Uфд, B
Iфд= Uфд/6800, A
Pфд= Uфд Iфд, Bт

7. Для измеренных напряжений рассчитайте ток I_сд= U_сд/680 светодиода и мощность, потребляемую им от источника питания P_сд= U_сд I_сд. Аналогичным образом определите ток фотодиода I_фд= U_фд/6800 и мощность выделяемую на его нагрузке P_фд= U_фд I_фд. Полученные результаты запишите в соответствующие строки табл. 2.8.

8. Постройте графики зависимостей U_сд(I_сд), P_сд(I_сд), а также U_фд(I_фд), P_фд(I_фд). Проанализируйте их, обратите внимание на ход и линейность кривых, сделайте выводы.

9. Установите перемычку на вспомогательной плате в положение, соответствующее красному цвету светодиода, и проведите аналогичные измерения. То же сделайте для синего цвета светодиода. Результаты запишите соответственно в табл.2.9 и 2.10. Постройте графики и сделайте выводы о спектральной чувствительности фотодиода ФДК-155 для различных участков спектра.

6. Контрольные вопросы

1. Какой принцип заложен в работу оптических датчиков?

2. От каких параметров зависит чувствительность фотодатчиков?

3. Изобразите типовые включения светодиодов и фотодиодов.

4. Какую зависимость отражает вольтамперная характеристика светодиодов и фотодиодов?