Elektronika | Felsőoktatás » Pajkossy Tamás - Elektronika és méréstechnika

BME VE-4-266(310)-FK Elektronika és méréstechnika A(B) Pajkossy Tamás, utolsó módosítás 2000 november 2 4.1 ANALÓG FESZÜLTSÉGMÉRÔ MUSZEREK12 4.2 13 4.2 DIGITALIZÁLÁS ALAPFOGALMAI 13 4.21 Kódolás 13 4.22 Pontosság 13 4.3 AD-DA KONVERZIÓ ÁRAMKÖREI 13 4.31 Segédáramkörök: SH, számláló 13 4.32 Tipikus AD konverter áramkörök 13 4.4 DIGITÁLIS FESZÜLTSÉGMÉRÔ MUSZEREK14 4.5 AC FESZÜLTSÉGEK MÉRÉSE 14 4.51 Effektív érték (RMS) mérése 14 4.52 Szinkron egyenirányítás: 14 4.53 Fázisszelektív detektálás15 4.6 FESZÜLTSÉGMÉRÉS HIBAFORRÁSAI 15 4.7 JEL-ZAJ VISZONY JAVÍTÁSA 16 4.71 Zajcsökkentés 16 4.72 Jelátlagolás 17 Elektronika és méréstechnika 1. VILLAMOSSÁGTAN 2 1.1 ÁRAMKÖRÖK 2 1.2 EGYENÁRAMÚ (DC) ÁRAMKÖRÖK 2 1.21 Ellenállás definíciója2 1.22 Eredô ellenállások 2 1.23 Hídkapcsolás 2 1.3 VÁLTÓÁRAMÚ (AC) ÁRAMKÖRÖK 2 1.4 IMPEDANCIA, ÁTVITELI FÜGGVÉNY3 1.5 GYAKORLATI VONATKOZÁSOK 4 2. FÉLVEZETÔ

ALAPALKATRÉSZEK 4 2.1 DIÓDÁK 4 2.11 Egyutas egyenirányítás 4 2.12 Kétutas egyenirányítás 4 2.13 Szurés 4 2.2 ZENER-DIÓDÁK 5 2.3 TRANZISZTOROK 5 2.31 Tranzisztor kapcsolások 5 2.32 Stabilizálás és szurés 5 2.33 Tirisztor és triac 5 2.4 OPTOELEKTRONIKAI ESZKÖZÖK 6 5. MÉRÉSEK ADATGYUJTÔ KÁRTYÁKKAL ÉS SZEMÉLYI SZÁMÍTÓGÉPPEL .18 5.11 Számítógép 18 5.12 Mikroprocesszor: 18 5.13 Vezérlések: 18 5.2 ADATGYUJTÔ KÁRTYÁK 18 5.21 Programozás 18 5.3 MUSZEREK ÖSSZEKAPCSOLÁSA, INTERFACE RENDSZEREK . 19 5.31 Soros adatátvitel: RS232 és társai 19 5.32 Párhuzamos adatátvitel: GPIB 20 3. MUVELETI ERÔSÍTÔK 6 3.1 TULAJDONSÁGOK 6 3.11 Definíciók, jelölések 6 3.12 Fô tulajdonságok6 3.13 Szabályok 7 3.2 JELLEGZETES KAPCSOLÁSOK 7 3.21 Komparátor 7 3.22 Feszültségkövetô, I 7 3.23 Feszültségkövetô, II 7 3.24 Invertáló erôsítô 7 3.25 Összegzô invertáló7 3.26 Nem invertáló erôsítô 8 3.27 Kivonó 8 3.28 Instrumentációs erôsítô

8 3.29 Áram-feszültség átalakító 8 3.210 Logaritmáló erôsítô 8 3.211 Exponencializáló erôsítô 9 3.212 Analóg szorzó: 9 3.3 AC TULAJDONSÁGOK 9 3.31 Integráló erôsítô 9 3.32 Differenciáló erôsítô 9 3.33 Aluláteresztô szurôk 9 3.34 Magasabb rendu szurôk 10 3.35 Felüláteresztô szurôk10 3.36 Sávszurôk11 3.37 Muveleti erôsítô frekvenciaátvitele11 3.4 FESZÜLTSÉGFORRÁSOK 11 3.41 Vezérelhetô feszültségforrások 11 3.42 Vezérelhetô áramforrások 11 3.43 Potenciosztát I 12 3.44 Potenciosztát II12 3.45 AC feszültségforrások 12 4. FESZÜLTSÉGEK MÉRÉSE 12 1 BME VE-4-266(310)-FK Elektronika és méréstechnika A(B) Pajkossy Tamás, utolsó módosítás 2000 november 2 össefüggésu áramköri elemek (B ábra, a és c) az Rint(U)=U/I integrális és a Rdiff(U)=dU/dI differenciális ellenállással jellemzhetôk. 1. VILLAMOSSÁGTAN 1.1 ÁRAMKÖRÖK • • • • • • • • • Fizikai

mennyiségek: töltés potenciális energiája feszültség U[V], áramerôsség I[A], töltés[C]. Áramkör: olyan vezetô, zárt hurkok együttese, ahol áram kering(het). Áramköri elemek: feszültségforrás(ok), kapcsoló(k), fogyasztó(k) és ezek kombinációi. Áramköri struktúrák: soros, párhuzamos kapcsolás, hidak. Áramkörök osztályozása: analóg, digitális; egyenáramú, váltóáramú. Áramköri szabályok: o Kirchhoff I. (csomóponti törvény): a töltésmegmaradás törvénye miatt a nem elágazó áramkörök bármely pontjában az áramerôsség ugyanakkora; elágazásnál az elágazásba befolyó áramok összege és a kifolyó áramok összege egyenlô. o Kirchhoff II. (huroktörvény): az energiamegmaradás törvénye értelmében bármely hurok mentén a feszültségesések összege zérus. Mérés: feszültséget párhuzamosan, áramot sorosan mérünk. 1.22 Eredô ellenállások Soros kapcsolás: R=R1+R2. Funkció: feszültségosztó. Párhuzamos

kapcsolás: 1/R=1/R1+1/R2. Funkció: sönt. 1.23 Hídkapcsolás A híd két átellenes pontjára U1 feszültséget kapcsolunk, a két másik pont között U2=U1*[R3/(R3+R4)- R1/(R1+R2)] feszültség mérhetô. A hídkapcsolás elônye: ha a mérendô mennyiség (pl. megvilágítás vagy hômérséklet változása) csak az R1 ellenállást (R1 =R0+ δR) változtatja meg, akkor célszeruen azonos ellenállásokat választva (legyen R2 =R3 =R4 =R0), U2=U1*δR/2R0, vagyis U2 az eltéréssel arányos. 1.2 EGYENÁRAMÚ (DC) ÁRAMKÖRÖK • Az áramkör tartalmaz feszültségforrás(ok)at, kapcsoló(ka)t, ellenállás(oka)t. Hurkok száma tetszôleges • Feszültségforrás: elem, tápegység, stb. Nagyfrekvenciás átalakítás szerepe. • Kapcsoló mechanikus, elektromechanikus (mágneskapcsoló, relé), elektronikus. • Földelés szerepe: referenciapont, életvédelem. 1.3

VÁLTÓÁRAMÚ (AC) ÁRAMKÖRÖK 1.21 Ellenállás definíciója Olyan áramkörök, amelyeknél U(t) általában nem követi I(t) függvényt . Példa: kondenzátoron (szigetelô vezetôk között) áthaladó áram I = dQ/dt = C*dU/dt; azaz I nem U-val, hanem annak deriváltjával arányos. A kondenzátor, mint áramköri elem, csak idôtôl függô feszültségek esetén "muködik". Az ellenállás olyan áramköri elem, amelyen idôben állandó U feszültség hatására idôben állandó áram folyik át. (A ábra) Ha az I(U) összefüggés lineáris (B ábra, b) akkor az R=U/I feszültségfüggetlen hányadost az áramköri ellenállásának nevezzük; ennek egysége 1 Ohm. A nemlineáris I(U) 2 BME VE-4-266(310)-FK Elektronika és méréstechnika A(B) Pajkossy Tamás, utolsó módosítás 2000 november 2 1.4 IMPEDANCIA, ÁTVITELI FÜGGVÉNY 2. Ha az áramkörön nem szinuszos, de (ω0 alapharmonikusu) periodikus feszültség halad

át, akkor az ω frekvenciáju felharmonikusok bármelyikére igaz a fenti egyenlet. ∧ 3. A periodikus U(t) és I(t) és a megfelelô U (ω ) és Váltakozó feszültség: 1. Szinuszos feszültség U(t)=Uo sin(ωt+θ); [amplitudó, körfrekvencia, (ω = 2πf), fázis]. Példa: a hálózati feszültség [Ueff=230 V, f=50 Hz], U = Uo sin(2π *50t) ahol Uo = Ueff √2 = 325 V* sin(2π 50t) . Komplex formalizmus: exp(iθ)= cos(θ) + j*sin (θ) ahol j = √-1 az imaginárius egység; az U(t) = Uo cos(ωt) komplex formalizmussal U(t) = Uo exp(jωt). Impedancia definíciója: Általánosságban, egy lineáris elemen U(t) = Uo*sin(ωt) feszültség hatására I(t) = Io sin(ωt+φ) áram halad át; a két mennyiség viszonyát az áramköri elem impedanciája fejezi ki. A lineáris áramköri elemet az Uo/Io amplitudóarány és a φ fáziskülönbség jellemzi, mert Z ≡ [Uo exp(jωt)] / [Io exp(j(ωt + φ)]) = = [Uo / Io]* exp(-jφ) = [Uo / Io] (cos (φ) j sin(φ)) Az impedancia:

frekvenciafüggvény; ábrázolása Bode ill. Nyquist diagrammon Bode diagramm: log Zabs és φ, log(f) függvényében ln(Z(ω))=ln(Z*exp(iφ))=ln(Zabs(ω))+jφ(ω) ; Nyquist diagramm: (komplex síkon): Im(Z(ω)) Re(Z(ω)) függvényében; ∧ komplex amplitudók között a Fouriertranszformáció teremt kapcsolatot. Ugyanis a periodikus, ω0 alapharmonikusú Y(t) idôfüggvény elôállítható Fourier-sorként: I (ω ) ∞ ∞ ∧ Y (t ) = Y0 + ∑ Yk ( kω 0 ) exp( j( kω 0 + φ k )) = Y0 + ∑ Y k ( kω 0 ) exp( jkω 0 ) k =1 . k =1 ∧ Az Y (ω ) komplex amplitudók, azaz a Yk amplitudók ill φ k fázisok az Y(t) függvénybôl Fouriertranszformációval határozhatók meg. Ez az összefüggés két szempontból hasznos: a. egy lineáris, passzív áramkör impedanciáját meghatározhatjuk aként, hogy valamely periodikus U(t) feszültséget alkalmazva megmérjük az I(t) áramerôsséget; mindkét idôfüggvényt Fouriertranszformáljuk, azaz meghatározzuk az egyes

∧ ∧ frekvenciákhoz tartozó U (ω ) és I (ω ) komplex amplitudókat; ezek hányadosa a Z(ω) impedancia. b. Ha ismerjük a Z(ω) impedanciát, akkor ki tudjuk számítani, milyen I(t) áramerôsség fog áthaladni az ismert U(t) periodikus feszültség hatására: Konkrétan, U t = U + ∞ U kω exp j kω + φ () DC ∑ ( k k =1 0 ) (( 0 k )) hatására ∞ I (t ) = U DC / Z DC + ∑ U k ( kω 0 ) exp( j( kω 0 + φ k ) / Z ( kω 0 )) lesz k =1 az áramerôsség. Ez utóbbi szummázást inverz Fouriertranszformációnak nevezzük. 3. Részletek taglalása nélkül megemlítjük, hogy ha az U(t) vagy a I(t) függvény nem periodikus (pl. ugrásfüggvény) akkor is kiszámítható az impedanciafüggvény ismeretében I(t) U(t)-bôl, vagy fordítva, a Laplace transzformáció alkalmazásával. Impedancia szerepe: az áramkörszámítási szabályokat impedanciákra lehet alkalmazni: • Ellenállás impedanciája: φ = 0, ZR = R = Uo / Io; • Kondenzátor

impedanciája: φ = +π/2 (áram siet), ZC = 1 / jωC; I = C*dU/dt, tehát, ha U(t)=Uo sin(ωt), akkor I = C ω Uo sin(ωt +π/2); • Tekercs impedanciája: φ = -π/2 (feszültség siet), ZL = jωL. • soros kapcsolásra: Z = Z1 + Z2, • párhuzamos kapcsolásra: 1/Z = 1/Z1 + 1/Z2. Impedancia ismeretében tetszés szerinti RLC hálózatra meg tudjuk mondani, hogy egy adott frekvenciát átvisz-e (adott AC feszültség hatására mekkora áram halad át rajta). Az impedancia általánosítása az átviteli függvény, amely valamely négypólus kimenete és bemenete közötti viszonyt fejezi - tipikusan Uki/Ube ω függvényében. Az átviteli függvény jellegzetes egysége az erôsítés, A, logaritmikus egysége a dB. A*[dB]=20lg(Uki/Ube). Tipikus ábrázolása A*(f) és φ(ω). Az elektromos rendszereket tehát az alábbi függvényekkel lehet jellemezni: Az áramkörön áthaladó áramot az alábbi meggondolásokkal számíthatjuk ki: 1. Szinuszos U amplitudójú

feszültség hatására áthaladó szinuszos áram komplex amlitudója Lineáris rendszerek: Kétpólus: • Impedancia: frekvencia (f)függvény; ábrázolása fôleg ∧ I (ω ) = I (ω )exp(jφ ) = U (ω ) / Z (ω ) 3 BME VE-4-266(310)-FK Elektronika és méréstechnika A(B) Pajkossy Tamás, utolsó módosítás 2000 november 2 oBode diagrammon: log Zabs és φ, log(f) függvényében; okomplex síkon: Im(Z(ω)) Re(Z(ω)) függvényében; • impedancia ismeretében tetszés szerinti hálózatra meg tudjuk mondani, hogy egy adott frekvenciát átvisz-e (mekkora áram halad át rajta). Négypólus: bemenet - kimenet - átviteli függvény (Uki/Ube ω függvényében). Nemlineáris rendszerek: áram-feszültségkarakterisztika az idôtôl független, sztatikus nemlineáris tulajdonságok jellemzésére. Átviteli függvény: példák 2. FÉLVEZETÔ ALAPALKATRÉSZEK 2.1 DIÓDÁK 2.11 Egyutas egyenirányítás Egyutas egyenirányítás. A kimeneten

lüktetô egyenfeszültség jelenik meg. 2.12 Kétutas egyenirányítás A. Felüláteresztô (alulvágó) szurô Átviteli függvénye: Uki/Ube = jωRC/[1+jωRC] B. Aluláteresztô (felülvágó ) szurô Átviteli függvénye: Uki/Ube = 1/[1+jωRC] 1.5 GYAKORLATI VONATKOZÁSOK Ellenállások: • specifikálásuk: érték, teljesítmény, pontosság szerint; • változtatható ellenállások: potenciométer, trimmelô potenciométer; • nemlineáris ellenállás, VCR (voltage controlled resistor); • hômérsékletfüggô, fényfüggô, stb. ellenállások. Kondenzátorok: • specifikálásuk: érték, max. feszültség, veszteség szerint; • energiatárolás vagy jω karakterisztika. Szerelés: • Egyedi elemek, integrált áramkörök, hibrid körök; • Rögzítés és elektromos csatlakoztatás: forrasztás, szorítókapcsok, nyák, csatlakozórendszerek. A: Graetz-híd; (Ube

és Uki idôfüggése a B ábrán látható); C: kétutas egyenirányítás, egyszeru tápegység 2.13 Szurés Lüktetô egyenáram szurése: A: Egyszeru, egyutas egyenirányító áramkör RC körös szuréssel; B: Uki nagy terhelésnél (Rt0); C: Uki kisebb terhelésnél; D: Uki kis terhelésnél (Rt∞); E: Egyszeru, egyutas egyenirányító áramkör szurôlánccal. 4 BME VE-4-266(310)-FK Elektronika és méréstechnika A(B) Pajkossy Tamás, utolsó módosítás 2000 november 2 2.2 ZENER-DIÓDÁK 2.32 Stabilizálás és szurés Zener dióda alkalmazásai A: egyszeru feszültségreferencia; B: túlfeszültségvédelem A: a lüktetô egyenfeszültség szurése RC tagokkal; B: tranzisztoros stabilizálás és szurés; C: stabilizálás és szurés tápegység IC-vel. 2.3 TRANZISZTOROK 2.31 Tranzisztor kapcsolások 2.33 Tirisztor és triac A:

Emitterkapcsolás; B: Kollektorkapcsolás (emitterkövetô) Triac karakterisztikája (baloldalt); feszültsége és árama 90o-os gyújtásnál Többfokozatú DC ill. AC erôsítô 5 BME VE-4-266(310)-FK Elektronika és méréstechnika A(B) Pajkossy Tamás, utolsó módosítás 2000 november 2 2.4 OPTOELEKTRONIKAI ESZKÖZÖK 3. MUVELETI ERÔSÍTÔK Fototranzisztor karakterisztika 3.1 TULAJDONSÁGOK 3.11 Definíciók, jelölések A muveleti erôsítôk olyan, integrált áramkörként gyártott erôsítôk, amelyekkel a hozzácsatolt alkatrészek jellegétôl függôen a bemenetre kapcsolt Ube feszültség és a kimeneten megjelenô Uki feszültségszintek között különbözô matematikai muveletek állíthatók elô, pl. Uki = -k*Ube, vagy Uki = ∫Ubedt függvénykapcsolatok valósíthatók meg. A muveleti erôsítôk kivezetései:(A ábra): • Tápfeszültség bemenetek (piros, kék)

• A + jelu nem invertáló, és a - jelu invertáló bemenetek. • Kimenet A muveleti erôsítôk szokásos rajzjele a B ábra szerinti (a tápfeszültségeket és a 0 vonalat nem tüntetjük fel). Fototranzisztoron átfolyó áram a feszültség és a megvilágítás intenzitása függvényében. Az áram alig függ a feszültségtôl és arányos a megvilágítás intenzitásával. 3.12 Fô tulajdonságok A muveleti erôsítôk kivezetései a következô tulajdonságuak: • Tápfeszültség bemenetek: a muveleti erôsítôk ún. kettôs tápfeszültséggel muködnek, melyet két, sorba kapcsolt feszültségforrás (tápegység) állít elô. Ezek közös pontja a lesz készülék 0 potenciálú pontja (e pontot ill. feszültséget "közös" potenciálnak nevezik; a készülékek e pontját szokás földelni). A tápegységek másik két pontja a +Ut ill. -Ut Ut típustól függôen 3.22 V; tipikus érték 15 V • Bemenetek: a + jelu nem

invertáló, és a jelu invertáló bemenetek. Ezek nagyon nagy ellenállásúak (a bemenô áram típustól függôen 10-13.10-7A) • A kimeneten Uki = A * [U+ - U-] feszültség jelenik meg, ahol A az ún. nyílthurkú erôsítés (A>>1, tipikus érték 106). A kimenet kis ellenállású, 1 mA (teljesítményfokozattal épített muveleti erôsítô akár 100 mA.10 A) áramot képes kiadni. Világító dióda (LED). GaAs, GaAsP, GaP-ból készül; akkor világít, ha nyitóirányban folyik át rajta áram (tipikusan 10-20 mA). Az infravörös LED nagy hatásfokú. Optocsatoló és optotriac áramköri jele 6 BME VE-4-266(310)-FK Elektronika és méréstechnika A(B) Pajkossy Tamás, utolsó módosítás 2000 november 2 Uki = A * ( U+ - U- ) = A ( U+ - Uki ) ahonnan átrendezéssel azt kapjuk, hogy Uki = U+ * A / (1+A). Minthogy A∞, Uki = U+ = Ube. A feszültségkövetô fô szerepe, hogy nem terhelhetô feszültségforrások feszültségét

terhelhetôvé alakítja át. A muveleti erôsítôk alkalmazásakor (általában negatív) visszacsatolást, azaz a kimenet és a bemenet közötti összeköttetést alkalmazunk. • Negatív visszacsatolás: kapcsolat a kimenet és az invertáló bemenet között. Ilyen kell a "normális" üzemmódokhoz. • Pozitív visszacsatolás: kapcsolat a kimenet és a neminvertáló bemenet között. Hatására a kimenet "kiül" vagy az erôsítô oszcillál (a kimeneten periodikusan változó feszültség jelenik meg). 3.23 Feszültségkövetô, II 3.13 Szabályok Az ideális muveleti erôsítô úgy muködik, hogy: 1. szabály: A bemeneteken át be az erôsítôbe áram nem folyik; 2. szabály: A kimeneten Uki = A * [ U+ - U- ] feszültség (A∞) jelenik meg, mely értelemszeruen nem lehet nagyobb a tápfeszültségnél. Emiatt, hacsak a kimenet nincs kiült állapotban, a két bemenet (gyakorlatilag) azonos potenciálon van.

Terhelhetô feszültség elôállításának módja, hogy hogy feszültségkövetôt alkalmazunk. A muveleti erôsítôs kapcsolásoknál alternatív megoldások lehetségesek. Például, stabil feszültség elôállításának (egy stabil elem által szolgáltatott E feszültség „lekövetésenek”) az ábrán látható két módja van. Mindkét módszer alkalmazásakor Uki = E és az elemen át nem folyik áram (hiszen a bemeneteken át az erôsítôbe áram nem folyhat). Általában ilyen alternatív megoldások közül azt választjuk, amelynél mindkét bemenet földön van (B). 3.2 JELLEGZETES KAPCSOLÁSOK 3.21 Komparátor 3.24 Invertáló erôsítô Egyszeru alkalmazás: a komparátor a: A kimenet feszültsége, Uki Uki≈ +Ut ha U+ > U-, ill. Uki≈ -Ut ha U+ < U-. b: Egyszeru alkalmazás digitális elektronikai célokra, 5V-os Zener-dióda felhasználásával: Uki ≈ +5V (high) ha Ube < 0 ill. Uki ≈ 0 V (low) ha Ube

> 0. A csomóponti törvény és az 1. szabály miatt Ube / R1 = - Uki / R2 így Uki = - Ube * R2 / R1. Megjegyzés: a pirossal jelölt direkt földelés helyett egy R1 * R2 / [ R1 + R2 ] ellenálláson keresztül földelünk. 3.25 Összegzô invertáló 3.22 Feszültségkövetô, I A csomóponti törvény és az 1. szabály miatt U1 / R1 + U2 / R2 +.+ Un / Rn = -Uki / Rn így Uki = - ΣUi * [ Rv / Ri ] . Egyszeru alkalmazás: a feszültségkövetô. Minthogy a negatív visszacsatolás miatt U- = Uki, ezért 7 BME VE-4-266(310)-FK Elektronika és méréstechnika A(B) Pajkossy Tamás, utolsó módosítás 2000 november 2 Ha Rv = R1 = R2 = . = Rn, akkor Uki = - ΣUi; egyébként Uki a bemenô feszültségek súlyozott összege. 3.26 Nem invertáló erôsítô Uki = k*(U1 - U2) ahol k = 1 + 2R2 / R1. Az R1 ellenállás cseréjével a k erôsítés pontosan szabályozható, ezért

változtatható erôsítésu erôsítôfokozatokban alkalmazzák. A csomóponti törvény miatt és az 1. szabály miatt (Uki - U-) / R2 = (U- - 0) / R2. A 2. szabály miatt U- = U+, így Uki = Ube * (R1 + R2) / R1. A nem invertáló erôsítô kimenô feszültsége tehát Uki = +k*Ube 3.29 Áram-feszültség átalakító 3.27 Kivonó Minthogy a mindkét bemenet földpotenciálon van, és az Rm mérôellenálláson I*Rm feszültség esik, Uki = I * Rm A csomóponti törvény miatt és az 1. szabály miatt (Uki - U-) / R2 = (U- - U2) / R1 és (U1 - U+) / R3 = (U+ - 0) / R4. A 2. szabály miatt U- = U+ ; a három egyenletbôl átrendezéssel azt kapjuk, hogy Uki = +U1 * [ ( 1 + R2/R1) / ( 1 + R3/R4)] - U2 [ R2/R1 ] 3.210 Logaritmáló erôsítô Speciális esetek: • ha R1 = R2 és R3 = R4, akkor Uki = +U1 - U2 (az áramkör egyszeru kivonó áramkör.) • ha R1 = R3 = R4 = R, és R2 = R + δ és

U1 = U2 (a bemeneteket összekapcsoljuk) akkor Uki = -2 δ U1 / R (hídkapcsolás). A diódák exponenciális karakterisztikájúak, vagyis I = k1 * exp(k2U). A neminvertáló bemenet földön van, ezért az invertáló bemenet potenciálja is mindig 0. Legyen Ube pozitív és elegendôen nagy, hogy a visszacsatoló ágban gyakorlatilag csak a felsô, nyitóirányban lévô diódán folyjon át lényeges nagyságú I áram. A diódán I = (0 - Ube) / R1 erôsségu áram folyik át, tehát I = k1 * exp(k2Uki) = (0 -Ube) / R1 vagyis Uki = - k3 log ( k4 Ube ) . A visszacsatoló ágban azért van két dióda, hogy pozitív és negatív feszültségek logaritmusát egyaránt lehessen képezni. 3.28 Instrumentációs erôsítô 8 BME VE-4-266(310)-FK Elektronika és méréstechnika A(B) Pajkossy Tamás, utolsó módosítás 2000 november 2 I = (Ube - 0) / R = C * d(0 - Uki)/dt, ahonnan Uki = (1/RC) ∫Ubedt

3.211 Exponencializáló erôsítô 3.32 Differenciáló erôsítô A diódák exponenciális karakterisztikájúak, vagyis I = k1 * exp(k2U). A neminvertáló bemenet földön van, ezért az invertáló bemenet potenciálja is mindig 0. Legyen Ube pozitív és elegendôen nagy, hogy gyakorlatilag csak a felsô, nyitóirányban lévô diódán folyjon át lényeges nagyságú I áram. Mindkét bemenet földön van, így a visszacsatoló ágon I = (0 - Uki) / R1, a diódán pedig I = k1 * exp(k2Ube) erôsségu áram folyik át. Innen Uki = - k1 R1* exp ( k2 Ube ) . A bemenetnél azért van két dióda, hogy pozitív és negatív feszültségek exponenciálisát egyaránt lehessen képezni. A logaritmáló és az exponencializáló erôsítôk összehasonlításával észrevehetjük, hogy ha a visszacsatoló ágban lévô elemet felcseréljük az invertáló bemenethez vezetô elemmel akkor az inverz matematikai függvényt állítjuk elô. (Ugyanez a reláció figyelhetô meg a

differenciáló és az integráló erôsítôk esetében is.) A C kapacitású kondenzátor feszültsége és a rajta áthaladó I áram között az I=C*dU/dt összefüggés áll fenn; a muveleti erôsítôre vonatkozó szabályok értelmében I = (Uki - 0) / R = C * d(0 - Ube)/dt, ahonnan Uki = (1/RC) dUbe/dt 3.33 Aluláteresztô szurôk Az aluláteresztô (felülvágó ) szurôk funkciója zajszurés, átlagolás. RC aluláteresztô szurô feszültségkövetôvel. Átviteli függvénye: Uki/Ube = 1/[1+jωRC] 3.212 Analóg szorzó: Két feszültség szorzata a log(U1*U2) = log(U1) + log(U2) azonosság felhasználásával állítható elô: A feszültségeket logaritmáljuk, összeadjuk, majd exponencializáljuk. 3.3 AC TULAJDONSÁGOK Invertáló aluláteresztô szurô. Átviteli függvénye: A=Uki/Ube = -R2/R1/[1+jωR1C1] 3.31 Integráló

erôsítô A C kapacitású kondenzátor feszültsége és a rajta áthaladó I áram között az I=C*dU/dt összefüggés áll fenn; a muveleti erôsítôre vonatkozó szabályok értelmében 9 BME VE-4-266(310)-FK Elektronika és méréstechnika A(B) Pajkossy Tamás, utolsó módosítás 2000 november 2 Egyszeres pozitív visszacsatolású aktív aluláteresztô szurô Megmutatható, hogy minden aluláteresztô szurôkarakterisztika felírható az A(ω ) = A0 / (1 + k1ω + k 2ω 2 + k 3ω 3 +.) alakban A Aluláteresztô szurô Bode-diagramja (felül erôsítés, alul fázistolás frekvenciafüggése) nevezôben lévô polinom jellege, a k együtthatók értéke szerint különbözô szurôtípusokat készíthetünk, melyek közül a nevezetesebbek: Butterworth, Csebisev: meredek levágás, de túllövéses négyszögjel-válasz. Bessel-szurôk: ideális négyszögjelátvitel Realizálásuk: elsô és másodfoku szurôk sorbakapcsolásával.

Példa: Aluláteresztô szurô viselkedése különbözô frekvenciájú négyszög bemenô jelek esetén. Alul: T=10τ, középen: T=τ, felül: T=τ/10 (T: négyszögjel periódusideje, τ a szurô idôállandója). Beállási idô Beállási hiba τ 37% 2.3τ 10% 4.6τ 1% 6.9τ 0.1% Tizedfoku 0.5 dB ingadozású Csebisev-szurô átvitelének frekvenciamenete, valamint az öt alaptag karakterisztikája. 3.34 Magasabb rendu szurôk 3.35 Felüláteresztô szurôk Többszörös negatív visszacsatolású aktív aluláteresztô szurô RC felüláteresztô szurô feszültségkövetôvel. Átviteli függvénye: Uki/Ube = jωRC /[1+ jωRC] 10 BME VE-4-266(310)-FK Elektronika és méréstechnika A(B) Pajkossy Tamás, utolsó módosítás 2000 november 2 Invertáló felüláteresztô szurô. Átviteli függvénye A=Uki/Ube = -jωR2C1[1+jωR1C]

Feszültségkövetô teljesítményfokozattal. 3.36 Sávszurôk Egyszeru, elsôfokú sáváteresztô szurô: Invertáló erôsítô teljesítményfokozattal. Sávzáró (aktív kettôs T) szurô: Invertáló erôsítô , mint feszültségforrás, árammérôvel. Kiszuri az f=1/2πRC frekvenciájú komponenseket. 3.37 Muveleti erôsítô frekvenciaátvitele 3.42 Vezérelhetô áramforrások Muveleti erôsítô sávszélessége és visszacsatolt erôsítése közötti összefüggés. Az 1. muveleti erôsítô - bemenete mindig 0 potenciálon van, azaz I*Rm=-Ube. 3.4 FESZÜLTSÉGFORRÁSOK 3.41 Vezérelhetô feszültségforrások 11 BME VE-4-266(310)-FK Elektronika és méréstechnika A(B) Pajkossy Tamás, utolsó módosítás 2000 november 2 3.43 Potenciosztát I 3.45 AC feszültségforrások • oszcillátor - függvénygenerátor

(jelalak, amplitudó, offset, frekvencia) • VCO bemenet - burst • arbitrary generator • digitális oszcillátor: astabil multivibrátor • kvarcoszcillátor - óra, mikromérleg (párologtatás, tömegnövekedés) 4. FESZÜLTSÉGEK MÉRÉSE Az elektrokémiai cellában három elektród van, a w jelu munkaelektród,a ref jelu referenciaelektród, és a c jelu ellenelektród. Az 1 jelu muveleti erôsítô (a c és w elektródok között) mindig akkora áramot folyat át a cellán, hogy a referenciaelektródon a földhöz (azaz a w-hez képest) kialakuló potenciálja, Uref,w =-Uprog legyen. Így tehát a potenciált az Uprog gal állíthatjuk be, ezt a 2 erôsítô kimenetén vissza is mérhetjük. A 3 erôsítô kimenetén megjelenô feszültség pedig a cellán átfolyó áramerôsséggel arányos. 4.1 ANALÓG FESZÜLTSÉGMÉRÔ MUSZEREK Deprez muszer, X-t író, X-Y író. Átlagoló regisztráló, magnószalag

Oszcilloszkóp: • katódsugárcsô (gyors, hosszú utánvilágítás, tárolás) • jelcsatorna (bemenet: AC-DC-GND, aszimmetrikus, differencia, chopped üzemmód • idôalap (pl kettôs) • triggerelési mód (normál, egyes, automata) triggerforrás: (külsô, jel) triggerszint (DC, AC, logikai él, hálózat) • analizálás: vizuálisan, dokumentálás fényképpel (polaroid) • digitális oszcilloszkóp - (tranziens rekorder) kiolvasható, poszttrigger, jel eleje, hazárd analízis 3.44 Potenciosztát II Általános elektromos mérôrendszer, négy kontaktussal. Az 1 erôsítô a CI (current input) kontaktusokon keresztül mindig akkora áramot folyat át a cellán, hogy a potenciálmérô S (sensing) bemenetek közötti feszültségkülönbség Us1,s2=-Uprog legyen. A KKE egy különbségképzô, pl egy instrumentációs erôsítô. 12 BME VE-4-266(310)-FK Elektronika és méréstechnika A(B) Pajkossy Tamás,

utolsó módosítás 2000 november 2 4.2 DIGITALIZÁLÁS ALAPFOGALMAI 4.3 AD-DA KONVERZIÓ ÁRAMKÖREI 4.21 Kódolás 4.31 Segédáramkörök: SH, számláló Irodalom: Szittya, 6.2 fejezet • Bináris: kettes számrendszer, hexadecimális számrendszer • szöveges információra: ASCII, kódlapok • számokra: BCD, bináris (hexadecimális), Gray kód (pl. szögmérésre) • offset bináris, és kettes komplemens ábrázolás számábrázolás (word, integer, floating) • hibafelismerés: modulo (pl. parity bit) 1. Mintavevô tartó (S&H) 2. DA konverzió tipikus technikai megvalósítás összegzô erôsítôvel: 4.22 Pontosság • Felbontás (LSB, MSB), konverziós idô, reprodukálhatóság, csonkítás, linearitás. • Felbontás (resolution [bit]): a legkisebb kijelezhetô rész (12 bit: 1/4096; 3 1/2 digit: 1/1999 vagy 1/(2*1999) • Érzékenység (sensitivity [V]): a legkisebb érzékelhetô változás (=legkisebb méréshatár/felbontás). Példák: 3 1/2

digit, 2V-os méréshatárnál: 1 mV; 16 bit (65536), 2V-os méréshatárnál: 30 µV; 8 1/2 digit, 200mV-os méréshatárnál: 1 nV; • Abszolút pontosság: valamilyen abszolút (feszültség)standardhoz képest • Relatív pontosság: valamilyen belsô standardhoz képest (amikor csak valamilyen változás a lényeges) • Reprodukálhatóság: (megismételhetôség) valamely konstans érték mérésekor a mért érték eloszlásának félértékszélessége. Szisztematikus és statisztikus hiba illusztrációja: 3. Fel-le számláló (reverzibilis számlánc) 4.32 Tipikus AD konverter áramkörök 1. Ellenállásláncon direkt komparációs eljárás (flash ADC): 2. Fokozatos megközelítés (Successive approximation ADC): Felbontás PontosReprodukálság hatóság fekete jó jó jó piros jó rossz jó kék rossz rossz jó lila rossz rossz rossz Linearitás: eltérés a lineáris analóg - digitális összefüggéstôl. Jellemzés pl <1/2 LSB

Példa: rossz DAC. Koverziós idô: tipikus 1µs-1 ms. 13 BME VE-4-266(310)-FK Elektronika és méréstechnika A(B) Pajkossy Tamás, utolsó módosítás 2000 november 2 3. Számlánc-követés (tracking ADC) 4.5 AC FESZÜLTSÉGEK MÉRÉSE Irodalom: TSch 25.3 fejezet Váltakozó feszültségek jellemzése: • U (t ) = U 0 sin(ωt ) : Uo: amplitudó, 2Uo:: p-p amplitude • effektív érték, (RMS): U eff = 1 T T ∫ [U sin(ωt )] dt = U 0 2 0 0 1 2π 2π ∫ sin 2 x dx = U0 2 0 • abszolút érték átlaga, 4. Kettôs integrálás (dual slope ADC) (TSch 736. oldal): U abs = 1 T T ∫U 0 sin(ωt ) dt = U 0 0 1 π π ∫ sin xdx = U 0 2 0 π • Uo, U abs , Ueff különbözô értéku és jelalakfüggô, pl. szinuszosra jelre U abs = 2 π U 0 ; U eff = U 0 / 2 ; négyszögjelre Muködése: 1. lépés: Ux mérése tref ideig (addig, hogy a számláló tulcsorduljon - ismét 0) 2. lépés: Uref mérése tx ideig (addig, hogy

a komparátor ismét 0-t mérjen) Ekkor tx=Ux/Uref*tref. U abs = U 0 = U eff U abs mérése (egyszeru, olcsó) Uo mérése: csúcsmérô 4.51 Effektív érték (RMS) mérése a. analóg megoldás 4.4 DIGITÁLIS FESZÜLTSÉGMÉRÔ MUSZEREK • • • • • • Bemenet általában földfüggetlen (1 Mohm) HI LO bemenetek, instrumentációs erôsítô, megadott U(HI-LO)max és U(LO-GND)max DVM (DC U mérés); DMM (UIR, DC,AC mérés); 1 - 1000 MOhm bemenô ellenállás, elektrométer: 10 -100 TOhm Számítógépbe helyezett AD-DA kártyák virtuális muszerek. Feszültségmérôk pontosságának megadása: = erôsítési hiba (gain error) + nullponthiba (offset error) és/vagy leolvasás hibája (%) + méréshatár hibája (%) Például egy 4 1/2 digites DVM leolvasási hibája 0.005% (±00001), ha a 2 V-os méréshatár hibája 0.01%, akkor egy pontosan 1.0000 V-os feszültséget a DVM ±(0.0001+ 1*0.0001)=00002 bizonytalansággal méri meg.

Mintavételi idô (sampling rate): Mintavételi idô> konverziós idô. Nyquist-féle mintavételi törvény: a mintavétel frekvenciája legalább duplája legyen a jelben lévô legnagyobb frekvenciáju komponens frekvenciájának (aliasing error, anti-aliasing filtering) Feszültségmérôk kalibrálása: Gyakran ellenôrizni, szükség esetén beállítani. b. digitális megoldás: digitalizálás, négyzetelés, összegzés (alapharmonikus periódusidejéig), gyökvonás 4.52 Szinkron egyenirányítás: Alapja: T 1 U 0 sin(ωt ) * sin( kωt {+φ} )dt T ∞ T ∫ 0 U ki = lim csak akkor nem zérus, ha k természetes egész szám. Spektroszkópiai példák: kis fényintenzitás mérése 1. példa: Kis intenzitású (pl monokromátorból jövô) fény mérése fényszaggatással, és a szaggatással szinkron egyenirányítással. 14 BME VE-4-266(310)-FK Elektronika és méréstechnika A(B) Pajkossy Tamás, utolsó módosítás 2000 november 2 Refbe bemeneten keresztül

bejövô külsô referenciajelhez szinkronizálható a PLL (phase locked loop) egység segítségével. Az oszcillátor szolgáltatta szinuszjel fázisa az FT fázistoló egységben megváltoztatható. Az alsó, és felsô szorzóegységben tehát a jelcsatornán kierôsített feszültség szinuszjellel, illetve a FT90 90 fokos fázistoló egységben képzett koszinuszjellel szorzódik össze. A szorzóegységek kimenetén megjelenô feszültségeket a DCE jelu erôsítôkben egyenszint leválasztása után tovább erôsítjük; ezek (az Uxki és Uyki feszültségek) a kimenô feszültségek. Ezekbôl a Psz jelu polárkoordináta számító egységben abszolut érték és fázisszög is számítódik és kerül az Uabski ill. φki kimenetére Modern, digitális lock-in erôsítôkben a nagy téglalapon belüli egységek nem feszültségjeleket, hanem AD konverterekkel digitalizált jeleket (számokat) processzálnak (pl. a szorzóegység egy numerikus processzor). Ilyenkor a nagy

téglalappal jelölt funkcionális egység neve DSP (digital signal processor). 2. példa: fény spektrumának mérése a monokromátor hullámhosszának modulálásával és azzal szinkron egyenirányítással. A kimeneten a spektrum hullámhossz szerinti deriváltjával arányos feszültség jelenik meg. 3. példa: A K1 és K2 küvettákban a mérendô ill összehasonlító oldat van. A kimeneten az a fényelnyelés különbségével arányos feszültségjel jelenik meg. 4.6 FESZÜLTSÉGMÉRÉS HIBAFORRÁSAI 1. Kontaktusellenállás hatása Példa: ellenállásmérés: 4.53 Fázisszelektív detektálás • Fázistoló áramkör van a referenciaágban: fázisérzékeny detektálás (lock-in erôsítô) • Kapuzás (kapcsolgatás), négyszögjellel szorzás; vagy szorzás • Vektorvoltmérô: van (Ux2+ Uy2)1/2 • Szinusszal, koszinusszal szorzás: ez Fourier analízis, ma már digitálisan, FRA, • Fourier-analizátor, spektrumanalizátor Lock-in

erôsítô blokkvázlata 2. Nagy forrásimpedancia (ellenállás) hatása DC eset - ellenállásosztó, kontrollálható AC eset - lassú felfutási idô (szórt kapacitás lecsökkentendô elôerôsítôvel vagy aktív árnyékolással) Az Ube mérendô feszültség az EE elôerôsítô után a Sz szurôn keresztül jut az ACE jelu AC erôsítôre, majd onnan az x-szel jelölt szorzóegységekbe. A referenciacsatorna kulcseleme az Osz jelu oszcillátor. Ez beállítható frekvenciáju és amplitudójú szinuszjelet állít elô, amely egyfelôl a KE erôsítô kimenetén megjelenve külsô modulációhoz felhasználható. Másfelôl, az oszcillátor a 3. Hômérsékletkülönbségek hatása Nem azonos hômérsékletu kontaktusok termopárt képeznek (µV nagyságrendu hiba) 4. Földhurok hatása 15 BME VE-4-266(310)-FK Elektronika és méréstechnika A(B) Pajkossy Tamás, utolsó módosítás 2000 november 2 2. Földhurok, (lásd fent): megszüntetendô 3. Periódusidônyi

átlagolás 20 ms átlagolással Elkerülése: a mérôrendszerbôl csak egy elemet földeljünk, vagy pedig azonos ponthoz földeljünk (kerüljük a földhurkokat). 4.7 JEL-ZAJ VISZONY JAVÍTÁSA 4.71 Zajcsökkentés 1. Árnyékolás • Faraday-kalitka (belülre elektromos tér nem tud behatolni; elektromos tér eredetu zajokat rézzel, mágneses eredetueket vassal) • Az árnyékolást jól definiált potenciálu ponthoz kell kapcsolni (legtöbbször földhöz) • Földelt illetve védett kábelek (guard), ábra, felfutási idô szerep • 2. Mágneses eredetu zajok Motorok, generátorok váltakozó mágneses teret hoznak létre, ezek a fix vezetô hurkokban áramot indukálnak. Sztatikus mágneses térben változó felületu áramvezetô hurkokban is áram indukálódik. Ezen áram minimalizálása végett: • motorokat, generátorokat - lehetôség szerint érzékeny mérés környékén ne üzemeltessünk; • a vezetô hurkok felületét

minimalizáljuk pl. csavart érpárú vezeték alkalmazásával; • a vezetékeket célszeru mágnesesen árnyékolni (vas) és fixen (pl. rezgésmentesre) szerelni Hálózati 50Hz-es eredetu zajokat legjobban a 20 ms-os átlagolással csökkenthetjük le. Ugyanis, T ; emiatt általában U = 1 T ∫ (U dc + U ac sin( 2πt / T ))dt = U dc 0 a periódusidô egész számu többszöröséig cészeru integrálni (példa: 100 ms, 220ms, Windows alatt futó programok). 16 BME VE-4-266(310)-FK Elektronika és méréstechnika A(B) Pajkossy Tamás, utolsó módosítás 2000 november 2 4.72 Jelátlagolás Analóg AC jeleknél: szinkron egyenirányítás, lock-ines méréstechnika Repetitív, zajos jelek átlagolása: Ezek digitálizálva az X[k] tömbbe kerülnek, melyeket az Y[k] tömbben átlagolunk. A muveletet pascal nyelven az alábbi procedúra fejezi ki: for k:=1 to Npoints do Y[k]:=0; for i:=1 to Ntransients do begin repeat until Trigger; for k:=1 to Npoints do begin

X[k]:=ResultsOfADConversion; Y[k]:=Y[k]+X[k]; end; end; for k:=1 to Npoints do Y[k]:=Y[k]/Ntransients; {nullázzuk az Y tömböt} {triggerre várunk} {AD konverzió} {összegezünk} {normáljuk az Y tömböt} Ha a repetitív X[k]= T[k]+ Z[k], azaz a jel a tényleges T[k] tranziens és a Z[k] zaj összege, akkor, feltéve hogy hogy Z[k] idôbeli átlaga zérus, átlagolással Y[k]T[k]. Megjegyzések: 1. Célszeru a fenti algoritmust kicsit átrendezni oly módon, hogy Y[k] mindenkor az addigi jelek átlagát mutassa, tehát a normálást már az összegzésbe beépítjük. Ekkor az összegzô sor Y[k]:=Y[k]+X[k]/Ntransients alaku, az utolsó, normáló sor elhagyható. 2. Segédeszköz: digitális aluláteresztô szurô Mérünk egy X(t) feszültségfüggvényt ∆t idônkénti mintavételezéssel Az X[k] tömbbôl az Y[k] tömböt az Y[k+1]:= w*X[k]+(1-w)Y[k] képlet szerint számítjuk, ahol 0<w<1 sulyfaktor. Ez egy τ=∆t*(1-w)/w idôállandóju aluláteresztô szurô.

Célszeru w=1/2j értéket (pl 1/16 vagy 1/64, akkor τ=∆t*(2j-1)) választani, ui. a 2j -vel való osztás bináris eltolássá egyszerusödik pl 1001111 div 2 = 0100111 A fenti képlet átírható a Y[k+1]:= Y[k]+w*(X[k]-Y[k]) alakba, melyben csak összegzések és 2j -vel való osztás, tehát bináris eltolás szerepel. Az ilyen digitális szurô igen egyszeru hardware eszközökkel (bináris összeadókkal, és shiftregiszterekkel) megvalósítható, tehát gyors. A hardware összegzés és a digitális szurô összekombinálható: ha az összegzés Y[k]:=(1-w)*Y[k] + w*X[k]/Ntransients alakú, akkor az összegben a régi tagok „elfelejtôdnek”, az új tagok átlaga dominál. 3. Az átlagolás egyszeru hardware eszközökkel (bináris összeadókkal) megvalósítható, tehát gyors és üzembiztos 4. Az átlagolásnak két célja van: zajcsökkentés és felbontásnövelés Elvileg az összegzés során a felbontás nô (pl 12 bites felbontásu jel 16-szor összeátlagolva

legjobb esetben 16 bitessé változik). A zaj szerepe kettôs: ha túl kicsi (pl 1 bitnél sokkal kisebb, akkor az 1 bites lépcsôk 4 bitessé változnak, tehát az AD konverzió által okozott csonkítás továbbra is fennmarad. Ha a zaj nagyon nagy, akkor sokat kell átlagolni Az optimum kb az, ha néhány LSB-nyi zaj van a jelen. 5. Példák: radarvisszhang a Holdról, impulzus fotokémia, radiokémia 17 BME VE-4-266(310)-FK Elektronika és méréstechnika A(B) Pajkossy Tamás, utolsó módosítás 2000 november 2 5. MÉRÉSEK ADATGYUJTÔ KÁRTYÁKKAL ÉS SZEMÉLYI SZÁMÍTÓGÉPPEL 5.11 Számítógép • • • • • • logikai -aritmetikai egység - programtár - adattár - külvilág (IO) adatok is, parancsok is byte-okban vannak (k*8 vezeték + föld = busz) belül párhuzamos adatátvitel (ISA, PCI) külvilág felé rendszerint soros (pl egér, klaviatúra, modem); hagyományok miatt párhuzamos a GPIB és a printer) memória: volatilis:RAM, permanens:ROM, EPROM;

könnyen felülírható: CMOS címek: bizonyos címeken rendszerparaméterek találhatók - táblázat; portcímek (IO célokra) 5.12 Mikroprocesszor: • A logikai-aritmetikai egység egyszeru muveletekre képes: byte-ok összehasonlítása, összeadás, fixpontos számok szorzása; lebegôpontos muvelet: koprocesszor • timer: funkcionálisan 8254-es; ami 55 ms-onként a $46C-t megnöveli eggyel. • mikroprocesszorcsalád van: Motorola 6800 és Intel 8080 utódai. 5.13 Vezérlések: • vezérlések elvégzéshez a logikai -aritmetikai egység - programtár - adattár külvilág (IO) egységek össze vannak integrálva - ezek a mikrokontrollerek. • fejlesztôrendszer; program (1-2 kByte esetleg) beégetés, vagy letöltés • nem programozhatók - mikrokontroller: mosógép, fényképezôgép, pH mérô • programozható:PLC (bit ki, be, relés kapcsolások, ADC, DAC ) egyszeru, megbízható (közlekedési lámpa) • bonyolultabb: folyamatvezérlô számítógép - ujabban PC

(ipari PC: üzembiztonság, megbízhatóság, egyszeruség, párhuzamos, tartalék, watchdog) 5.2 ADATGYUJTÔ KÁRTYÁK • • • • információ: AD-DA, timer (analóg) DIO, léptetômotor vezérlô (digitális), frame grabber (kép) általános célu muszerek: sokcsatornás analizátor, oszcilloszkóp, spektrofotométer, potenciosztát egyedi berendezések vezérléséhez: 8255 alapu kártyák kommersz elektronikai megoldások felhasználhatók: DIO-ra a printerport, ellenállásmérésre a gameport, AD-DA (sajnos csak hangfrekvenciás AC alkalmazáshoz) hangkártyák • jelkondicionálás (mechanikai csatlakoztatás, erôsítés, szurés, galvanikus leválasztás, szimultán mintavételezés) rendszerint a felhasználó feladata • beállítandó: interrupt level, DMA channel, alapcím Programozásuk • címkiosztás, példaprogramokkal; • driver - parancskészlet, (pascal,C), Labview driver • komplett virtuális muszer program 5.21 Programozás 1. példa: egy

polarográfiás static drop standot egy PCL-812 PG típusú kártya vezérel A kapilláris zárt, ha a DIO14 nevu IO byte 6. bitje 1, nyitott, ha 0 procedure PSDropHalt(b:byte); {DIO14, 6. bit} begin if b>0 then b:=1; DIO14:=(DIO14 and 191); if b=1 then DIO14:=DIO14+64; {vagy: DIO14:=(DIO14 and 191) or (b shl 6);} port[base address+14]:=DIO14; end; 2. példa: feszültségmérés: {egyszeri AD konverzió a PCL/812PG-vel} 18 BME VE-4-266(310)-FK Elektronika és méréstechnika A(B) Pajkossy Tamás, utolsó módosítás 2000 november 2 function MeasV:integer; var i:integer; hib,lob:byte; begin port[base address+11]:=1; {software trigger enable} hib:=port[base address+5]; {törli az EOC (end of conversion) bitet} port[base address+12]:=1; {software trigger} i:=0; repeat hib:=port[base address+5]; i:=i+1; until (hib<16) or (i=100); {Fontos: timeout lekezelés} lob:=port[base address+4]; mv:=hib shl 8 + lob; {mv=256*hib+lob} if i=100 then MeasV:=9999 else MeasV:=mv; end; 3.

példa: feszültségmérés 20 ms-os integrálással function measV20ms:real; var i:integer; vl:longint; mv: real; vv:integer; begin i:=0; vl:=0; StartTimer; {Timer: egy számláló, amely másodpercben adja meg a StartTimer kiadása óta eltelt idôt, pl. a kártyán lévô 8254-es kiolvasásával} repeat vv:=MeasV; if not (vv=9999) then begin i:=i+1; vl:=vl+vv; end; until ReadTimer>0.02; if i>0 then MeasV20ms:=vl/i else MeasV20ms:=9999.0; end; 4. példa: Leállás elleni védekezés: keretprogramból (Mainexe) exec-kel hajtjuk végre magát a mérôprogramot (Measure.exe) ami pl esc megnyomással állítható le Program Measure; . procedure EscTest; begin KeyTest; if EscPressed then CloseAll; halt(27); end; . begin repeat Measurements; EscTest; until világvége; end. Program Main; . repeat exec(Measure.exe,’’); i:=DosexitCode; WriteDEClogFile(i); until (i=27); end. {Egy naplófájlba kiirja a hibakódot} Ezzel csak a runtime error-ok küszöbölhetôk ki, a tényleges

lefagyások csak resettel - watchdog. 5.3 MUSZEREK ÖSSZEKAPCSOLÁSA, INTERFACE RENDSZEREK Analóg adatátvitel: telefon, hangfrekvencián 48 V ac, modem 5.31 Soros adatátvitel: RS232 és társai 1. RS232C Legegyszerubb soros rendszer Fizikailag: • ±3.12V; 0 (LO) = +3V+15V; 1 (HI) = -15V-3V 19 BME VE-4-266(310)-FK Elektronika és méréstechnika A(B) Pajkossy Tamás, utolsó módosítás 2000 november 2 • • • • • minimum 3 vezeték (jel oda, vissza, föld), legáltalánosabban 9 vezeték (TxD, RxD (transmit data, recieve data: jel oda , vissza); RTS, CTS (request to send, clear to send: küldj, küldök), DSR, DTR (data set ready, data terminal ready: adatpuffer üres/tele), DCD (data carrier detect, van telefonvonal), RI (ring indicator: telefon kicseng), GND: jelföld. csatlakozó 9 pólusu, 25 pólusu (lásd még áramhurok) muszerhez (Data Communication Equipmenthez: modemhez, printerhez, muszerhez) direkt vezetékek (pl RxD <-> RxD, TxD <--> TxD,

GND <-> GND; a kábelen számítógépnél anya, muszernél apa) másik számítógéphez (Data Terminal Equipmenthez) felcserélt vezetékek (pl RxD <-> TxD, TxD <--> RxD, GND <-> GND; anya-anya kábel) Handshake: RTS/CTS; handshake vonalak földelhetôk. Adatátvitel protokollja: megadandó a baud rate (bit/s) szokásosan 9600 baud, 38400 stb. adatátvitel: 7 vagy 8 bit (klasszikus vagy ékezetes karakterek is) paritásbit, stopbit Tipikus bitsorozat (frame): 2. Javított RS232: • RS 423A: ±3.6 V; 2 koaxiális kábel (oda és vissza); 300kBaud 30m vezetékhossznál; efelett rohamosan lecsökken. • RS 422A: ±2 V; 2 csavart érpár; 2MBaud 60m vezetékhossznál; efelett rohamosan lecsökken. • RS 485: ipari szabvány, csavart érpár, címezhetô 3. Áramhurok (current loop, TTY interface) 20 mA (optocsatolt, zavarvédett); 4 vezeték (jel oda, jel vissza, + földek); max 1000 m távolságra használható. 5.32 Párhuzamos adatátvitel: GPIB

Printerport - szükség esetén DIO (digitális vezérlési) célokra felhasználható GPIB: General Purpose Interface Bus; HPIB (1965), Hewlett-Packard Interface Bus, IEEE-488, IEC-625 Általános felépítés: vezérlô(k) (controller (számítógép)); + max. 31 muszer; kábelezés (összes hossz < 2 méter*készülékek száma<20 m; 24 pólusu piggyback, Amphenol késes, csillag v. lánc; 25 pólusu tus csatlakozó, metrikus - amerikai rögzítés) - open collectoros meghajtások (negatív logika, zajvédettség) Használat: Vezérlô: manapság rendszerint PC + NI (National Instruments) kártya + pascal, C, Labview, Labwindows software Konfigurálás: címek beállításával + konfigurálóprogrammal: címek, szimbolikus nevek, adattranszfer adatai (hány bit, hogyan végzôdjön az adatforgalom (tipikusan CRLF), EOI jelezzen, timeout) Tesztprogramok: egyedi parancsok kiadhatók pl ibwrt r2; ibrd; ibspoll; Általában, a küldött adatok lehetnek vezérlôparancsok és

mérési adatok (számok). A GPIB kompatibilis muszerekhez tartozik egy, az adott típusra jellemzô parancskészlet (stringek) amelyekkel az elôlapi kezelôszervek hatását lehet programból elérni. Például, egy adott típusú feszültségmérônek a GPIB-n keresztül elküldött „R2” ill „R3” stringek a 2 V-os ill. 20V-os méréshatárba állítják a muszert, a muszer által mutatott feszültség értékét pedig általában egy stringként (tehát digitenként 1 byte-ként) lehet kiolvasni. A muszerek kezeléséhez tehát mérôprogramokat kell írni (vagy venni); a programozás manapság nem bonyolult: író és olvasó utasítások sorozatát kell megszerkeszteni. Például, az alábbi pascal nyelvu programban a WriteGPIB(fra, IP1,1); WriteGPIB(fra, FR10000); procedurák azt eredményezik, hogy az fra azonosítóju muszer az IP1,1 utasítás 20 BME VE-4-266(310)-FK Elektronika és méréstechnika A(B) Pajkossy Tamás, utolsó módosítás 2000 november 2

hatására a hátlapi csatlakozókon az FR10000 stringnek megfelelôen 10000Hz-es frekvenciáju jelet fog kibocsájtani. Az s:=ReadGPIB(fra) függvény meghívása pedig azt jelenti, hogy az fra azonosítóju muszerbôl az s a vezérlô számítógép az s stringet kiolvassa (ez több szám együttese, amit persze majd egyedi számokra szét kell bontani). Egyszerusíti a programozást, hogy az utóbbi idôben a készülékgyártók igyekeznek azonos hatásu utasításoknak azonos nevet adni - tehát szabványos parancskészletek alakulnak ki. Modern grafikus programozási nyelv a LabView, amely tartalmazza a GPIB-vel kompatibilis muszerek meghajtóit (tehát a fenti stringkészleteket). E nyelv különösen alkalmas arra, hogy szemléletes muködésu mérôrendszereket hozzunk létre. Muködés: 8 adatvezeték + 8 vezérlôvezeték (címbusz nincs, ha ATN, akkor ami megy az adatbuszon, akkor az adat az éppen cím) A 8 vezérlôvezeték 3 handshake és 5 rendszeradminisztrációs

vonal. A vezérlô a címmel azonosított egyes készülékeket beszélôknek illetve hallgatóknak jelöli ki; ezután a beszélô adatot küld a hallgatónak. Az adatátvitel hardware handshake szinkronizálással megy (hiszen különbözô sebességu készülékek lehetnek jelen). A handshake vonalak jele DAV (Data Valid), NDAC (Not Data Accepted), és NRFD (Not Ready For Data). Ezek negatív logikájuak, tehát ha DAV logikailag igaz, akkor fizikailag LO állapotban vannak; un. nyitott kollektoros kimenetek, vagyis a vezetéken áram folyik és kis feszültség van Két vagy több nyitott kollektoros kimenet ÉS kapcsolatot jelent, vagyis a vonal akkor lesz csak HI állapotban, ha mindegyik kimenet HI. Pl. a NRFD vonal akkor lesz HI állapotu (logikailag: az összes készülék kész adatot fogadni, fizikailag HI állapotu) ha minden egyes készülék NRFD kapuja HI állapotu. A handshake a következô idôzítés szerint megy: 1. A kijelölt hallgatók felengedik a NRFD vonalat,

amikor mindegyik felengedik, akkor az HI állapotba kerül („mindegyikünk kész az adatfogadásra”). 2. A beszélô a jelvezetékekre kiteszi az adatot (bájtot) és lehuzza a DAV vonalat („van érvényes adatom”) 3. A hallgatók beolvassák az adatot, és amelyik kész van, felengedné a NDAC („megkaptam”) és lehuzza a NRFD vonalat („további adatot most nem tudok fogadni, meg kell emésztenem a mostanit”).Ám a NDAC vonal akkor lesz ténylegesen fent, ha már mindegyik hallgató bevette az adatot. Ezt a beszélô felismeri, és a DAV-ot felengedi, az adatot törli a buszról. Ezt érzékelvén a hallgatók is lehuzzák a NDAC vonalat; majd idôvel az NRFD vonalat is felengedik. 4. Innentôl a következô byte küldése ugyanebben a sorrendben az 1 pontban leirtaktól kezdve történik Vegyes lehetôségek: Egyszerre több vezérlô is lehet jelen, de csak mindig egy lehet aktív, és az egyiknek un. rendszervezérlônek kell lennie (ô a fônök). A vezérlés

tehát átadható Hibalekezelés: Parallel poll: ATN és EOI hatására az elsô 8 készülék - egy bizonyos feltételrendszert (parallel poll mask) kielégülése esetén kitehet 1 bitet. Serial poll: Az a készülék, amelyiknek valamilyen baja van (a status byte 6. bitje 1) az lehuzza ezt a vonalat Ezzel megszakítást (interruptot) lehet generálni. Ezután egyesével végig kell kérdezni az egyes készülékeket, lekezelni a bajt. Törlés: IFC - interface clear; (interface reset); DCL - device clear (készülék reset) - vezérlôvezetékek; SDC: selective device clear - csak a megcimzett készülékeket reseteli GET (group enable trigger) parancs REN - van local, remote és local lockout állás Parancskészlet: egy adott készüléknek nem kell az összes funkciót teljesíteni tudnia - pl egy GPIB printernek lehet listen only, egy voltmérô talk only (és akkor nem is kell vezérlô), van ami nem érti a GET-et stb. 21