11-20 Flashcards
2/6
- Liniowe i nieliniowe zastosowania wzmacniaczy operacyjnych.
Wzmacniacze operacyjne (opamp) – to urządzenia, znajdujące szerokie zastosowanie w różnych aplikacjach analogowych.
Liniowe zastosowania wzmacniaczy operacyjnych:
Wykorzystywane do przetwarzania sygnałów analogowych, gdzie zachowują proporcjonalność i linowość odpowiedzi wzmacniającej.
Przykładowe zastosowania:
- Wzmacniacz odwracający/nieodwracający/sumujący/różnicowy.
- Układ całkujący/różniczkujący.
- Filtry (np. górno- i dolnoprzepustowe)
Nieliniowe zastosowania wzmacniaczy operacyjnych:
Wykorzystywane do realizacji operacji, gdzie charakterystyka wzmacniana nie jest liniowa.
Przykładowe zastosowania:
- Komparator (porównywanie dwóch sygnałów)
- Ogranicznik napięcia (ustawianie maksymalnego lub minimalnego poziomu napięcia)
- Prostownik (zmiana sygnału zmiennego na jednokierunkowy)
- Generator przebiegu prostokątnego/sinusoidalnego
- Wzmacniacz logarytmiczny (generowanie sygnału wyjściowego proporcjonalnego do logarytmu sygnału wejściowego)
- Logika optyczna: podstawowe układy logiki optycznej, bramki optoelektroniczne.
Logika optyczna – realizacja działań i funkcji algebry Boole’a na wiązkach fotonów za pomocą urządzeń optycznych.
Wiązkę światła traktujemy zero-jedynkowo mierząc chwilowe natężenie pola.
Układy logiczne w pełni optyczne wykorzystują do przełączania światła jedynie fotony.
Logiczne bramki optyczne – wykorzystują nieliniowe zjawiska optyczne (układy pasywne) i/lub wzmacniacze optyczne (układy aktywne).
wykorzystuje efekt Kerra i dwukanałowy kierunkowy powielacz optyczny.
Efekt Kerra – Zmiana właściwości ośrodka (współczynnik załamania światła) w zależności od przyłożonego pola elektrycznego. Wstępuje jedynie w ośrodkach nieliniowych.
Optyczny powielacz kierunkowy – wykorzystują dwa równoległe światłowody o zbliżonych parametrach.
Przy zgodności fazowej ośrodków obu torów, sygnał zostaje w pełni przekazany do kanału drugiego.
Kiedy jednak wystąpi niezgodność faz, sygnał może być przekazany częściowo lub nie przekazany wcale.
W ten sposób oddziałując wiązką fotonów, możemy przełączać stany logiczne światła.
Bramki
AND
OR
NOT
NOR
- Mechanizmy przewodnictwa opisujące charakterystykę R = f(T) grubowarstwowych rezystorów cermetowych.
Rezystory cechują się najniższą rezystancją w temperaturze pokojowej. Dla wyższych temperatur rezystancja rośnie wraz z jej wzrostem, a dla niższych rośnie wraz z jej spadkiem.
Mechanizmy przewodnictwa:
kontaktu metalicznego – występuje między dwoma ziarnami mającymi kontakt fizyczny. Kontakt mechaniczny jest źródłem szumów. Rezystancja jest niestabilna w czasie.
hoppingowe (skokowe) – nośniki nie poruszają się swobodnie po całym ciele w paśmie walencyjnym, ale przeskakują pomiędzy konkretnymi miejscami w strukturze materiału, tak zwanymi stanami zlokalizowanymi. Zachodzi dla większych odległości.
- Metoda cyfrowa pomiaru częstotliwości i okresu sygnałów elektrycznych. Jakie są najistotniejsze czynniki wpływające na błąd pomiaru.
Pomiar okresu (metodą cyfrową) – badany przebieg jest przetwarzany na sygnał impulsowy.
Czas każdego impulsu jest równy okresowi Tx przebiegu badanego.
Impuls ten otwiera bramkę na czas pomiaru.
Gdy bramka jest otwarta, zliczane są impulsy z generatora wzorcowego o częstotliwości fw = 1/Tw.
W czasie pomiaru licznik zliczy N = Tx/Tw.
Wartość zmierzonego okresu wynosi: Tx=N*1/fw
Pomiar częstotliwości (metodą cyfrową) – badany przebieg o częstotliwości fx przetwarzany jest na przebieg impulsowy o takiej samej częstotliwości.
Generator wzorcowego odcinka czasu wytwarza impuls o czasie trwania Tn otwierającego bramkę na czas pomiaru.
W czasie, gdy bramka jest otwarta, licznik zliczy N = Tn/Tx impulsów.
Ponieważ fx = 1/Tx zmierzona częstotliwość wynosi:
fx = N*1/Tn
Główne źródła błędów w cyfrowych pomiarach częstotliwości:
* Błąd zliczania (kwantowania) – występuje gdy długość impulsów bramkujących nie jest całkowitą wielokrotnością zliczanych okresów. Liczba zliczonych impulsów uzależniona jest od położenia impulsu bramkującego.
* Błąd częstotliwości generatora wzorcowego – częstotliwość ta może odbiegać od częstotliwości znamionowej, może również zmieniać się w czasie pracy np. w wyniku wahań temperatury lub starzenia elementów.
* Błąd bramkowania – wynika z różnicy opóźnienia miedzy zboczem narastającym i opadającym impulsu bramkującego.
Różnica ta powoduje różnicę w opóźnieniu chwili otwarcia i zamknięcia bramki. Błąd jest również spowodowany zakłóceniami występującymi w badanym przebiegu.
- Metody obliczania błędu granicznego w pomiarach złożonych.
Błąd graniczny w pomiarach złożonych -
Największa możliwa wartość błędu wskazania przyrządu w dowolnym punkcie zakresu pomiarowego.
Metody obliczania błędu granicznego obejmuje:
sumowanie maksymalnych wartości bezwzględnych błędów poszczególnych, składowych pomiarowych lub sumowanie kwadratów błędów, a także wykorzystanie reguł propagacji błędów w przypadku wyników obliczanych na podstawie pomiarów.
- Metody pomiaru piezoelektryków.
Zjawisko piezoelektryczne proste – polega na powstawaniu ładunków elektrycznych w wyniku deformacji kryształu.
Zjawisko piezoelektryczne odwrotne – polega na zmianie wymiarów kryształów pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego.
Metody pomiaru piezoelektryków możemy podzielić na:
Statyczne
- pomiar modułu piezoelektrycznego d – mierzy się generowany ładunek elektryczny w odpowiedzi na przyłożony nacisk lub zmianę pola elektrycznego
Dynamiczne
- pomiar przenikalności elektrycznej – analizuje zmiany przenikalności dielektrycznej w zależności od częstotliwości pobudzenia, co umożliwia określenie przenikalności εT (przy polu stałym) i εS (przy zmiennym polu).
- pomiar współczynnika sprzężenia elektromechanicznego – określa efektywność przekształcania energii podczas wymuszonych drgań mechanicznych lub elektrycznych.
- Metody pomiaru parametrów rozproszonych elementów biernych (RLC).
RLC – elementy powszechnie stosowane w budowie urządzeń elektrycznych i elektronicznych, czyli rezystory, kondensatory i cewki indukcyjne. Parametry tych elementów mierzy się różnymi metodami i z różną dokładnością.
Metoda mostkowa:
- Mostek Wheatstone’a – Do pomiaru rezystancji. Składa się z czterech rezystorów tworzących mostek, z których jeden jest elementem badanym.
- Mostek Maxwella – wykorzystywany do pomiaru indukcyjności, w którym stosuje się znaną pojemność i rezystancje do równoważenia mostka.
- Mostek Wiena – Do pomiaru pojemności. Opiera się na równoważeniu pojemności i rezystancji.
Metoda rezonansowa – Pomiar częstotliwości rezonansowej obwodu LC. Znając częstotliwość rezonansową i wartość jednego z elementów (L lub C), można obliczyć drugi parametr.
Metoda impedancyjna – pomiar impedancji przy różnych częstotliwościach pozwala na wyznaczenie wartości R, L i C.
Analiza częstotliwości pozwala na określenie charakterystyki impedancyjnej badanego elementu.
Metoda oscyloskopowa – połączenie elementu do oscyloskopu i analizie przebiegu napięcia oraz prądu. Na podstawie różnic fazowych i amplitud można wyznaczyć parametry RLC.
- Zastosowania piezoelektryków.
Piezoelektryki znajdują zastosowanie jako:
- rezonatory w generatorach i stabilizatorach częstotliwości,
- przetworniki drgań w urządzeniach medycznych i przemysłowych,
- mikrosiłowniki w mikrorobotyce oraz w różnorodnych urządzeniach wykorzystujących efekty drgań i fal.
Ich unikalne właściwości mechaniczno-elektryczne sprawiają, że są nieocenione w wielu nowoczesnych technologiach
- Metody pomiaru wartości skutecznej napięcia sygnałów zmiennych.
Wartość skuteczna (RMS – Root Mean Square) określa parametry energetyczne sygnału. Wartość skuteczna sygnału przemiennego jest równa wartości sygnału stałego, który powoduje takie same skutki energetyczne (efekt cieplny – ciepło Joule’a) jak sygnał przemienny.
Wzór ten pozwala wyznaczyć Usk dla dowolnego sygnału okresowego. Rozwiązanie to stosowane jest w miernikach wyższej klasy oznaczonych jako True RMS.
Metody pomiaru wartości skutecznej:
-
Pomiar za pomocą przyrządów cieplnych –
Jeden z rezystorów jest zasilany mierzonym przebiegiem, drugi regulowanym napięciem stałym.
Polega na regulacji wartości napięcia stałego tak, aby temperatury w obu rezystorów były jednakowe.
Na wyjściu takiego przetwornika występuje napięcie odpowiadające wartości skutecznej wejściowego przebiegu zmiennego. -
Pomiar za pomocą przetworników analogowych –
analogowe układy realizują operacje potęgowania, całkowania (uśredniania) oraz pierwiastkowania zgodnie ze wzorem na wartość skuteczną sygnałów okresowych. -
Pomiar za pomocą mierników cyfrowych (multimetry i oscyloskopy)–
sygnał wejściowy zamieniany jest na postać cyfrową, a następnie obliczana jest wartość skuteczna mierzonego napięcia.
Współczesne multimetry są wyposażone w operacyjne przetworniki wartości skutecznej i wynik pomiaru reprezentuje prawdziwą wartość skuteczną badanego sygnału. Oznaczone są jako True RMS. -
Współczynnik kształtu – Definiowany jest jako stosunek wartości skutecznej do wartości średniej (półokresowej) danego przebiegu.
Mierniki mierzą napięcie średnie badanego przebiegu, a następnie za pomocą odpowiedniego współczynnika kształtu, zamieniają wynik pomiaru na wartość skuteczną.
- Metody stało- i zmiennoprądowego pomiaru właściwości materiałów i elementów elektronicznych.
Stałoprądowe metody są przydatne do pomiarów bezpośrednich właściwości rezystancyjnych i charakterystyki prądowo-napięciowej.
zmiennoprądowe metody pozwalają na analizę dynamicznych właściwości materiałów, takich jak:
impedancja,
pojemność,
indukcyjność, w szerokim zakresie częstotliwości.
Metody stałoprądowe:
- Pomiar rezystancji(metoda czteropunktowa) – prąd przepuszczany jest przez dwa zewnętrzne styki, a napięcie mierzone na dwóch wewnętrznych stykach. Stosowana przy niskich rezystancjach.
* Pomiar charakterystyki I-U – pomiar prądu płynącego przez element w funkcji przyłożonego napięcia.
* Pomiar efektu Halla – metoda ta wykorzystuje efekt Halla, gdzie w materiale przepływającym prądem w obecności pola magnetycznego powstaje poprzeczne napięcie (napięcie Halla). Pomiar tego napięcia pozwala na określenie koncentracji nośników ładunku oraz ich ruchliwości.
* Pomiar temperatury – wykorzystuje zmiany rezystancji materiału w funkcji temperatury.
Metody zmiennoprądowe:
- Pomiar impedancji(LCR meter) – LCR meter to urządzenie pomiarowe, które mierzy impedancję elementów w szerokim zakresie częstotliwości. Na podstawie pomiarów można określić wartości rezystancji (R), indukcyjności (L) i pojemności (C).
* Spektroskopia impedancyjna – badanie odpowiedzi elektrycznej obiektu na małe sygnały elektromagnetyczne w szerokim zakresie częstotliwości.
* Pomiar współczynnika strat dielektrycznych – mierzenie strat energii w dielektryku pod wpływem zmiennego pola elektrycznego. Straty dielektryczne są związane z absorpcją energii przez materiał i konwersją tej energii na ciepło.
* Pomiar współczynnika sprzężenia magnetycznego – ocenia sprzężenie magnetyczne w transformatorach i cewkach.
* Pomiar indukcyjności i pojemności metoda rezonansową – określa indukcyjność lub pojemność na podstawie częstotliwości rezonansowej obwodu LC.
* Analiza Fouriera sygnałów zmiennoprądowych – rozkład sygnału zmiennoprądowego na składowe częstotliwości za pomocą transformacji Fouriera.
