Kybernetizace experimentu I

1. Kybernetizace experimentu I NEVF 127 LS 2011/2012 L.Přech

2. Úvod do analogového a číslicového zpracování dat a řízení experimentu - osnova • Fyzikální experiment a úloha počítače v něm • Základní schéma počítačem řízeného experimentu • Analogové a digitální zpracování dat • Převod neelektrických veličin na elektrický signál a zpět (čidla a akční členy) • Úprava analogových signálů (diody, tranzistory,operační zesilovače – opakování) • Vzorkování, kvantování, spektrum signálu, Nyquistovo kriterium

3. Model fyzikálního experimentu • Stanovujeme závislost veličiny y na veličiněx při daném parametru  (např. závislost proudu vzorkem na napětí při určité teplotě) • Obvykle opakovaná měření pro diskrétní hodnoty xi j , určování střední hodnoty a odhad chyby • x,  nastavované nebo implicitně závislé na čase x(t) (t) měření „bod po bodu“

4. Počítač jako automatické registrační zařízení • Ruční nastaveníx,  resp.x(t) (t) • Automatický zápis hodnot (t) y(t) • Vyhodnocení a zpracování často až po ukončení zápisu Využíváme rychlost registračního systému!

5. Počítačově řízený experiment • Automatické nastaveníx,  resp.x(t), (t) • volně dle programu – automatické měření • s cílem stabilizovat nebo řídit y nebo  - regulace • Automatický zápis hodnot (t), y(t) • Vyhodnocení a zpracování obvykle během měření

6. Základní schéma systému sběru dat a řízení experimentu Fyzikální veličiny Akční členy Sběr dat, řízení výstupů Úprava signálů Počítač Čidla

7. Elektrické povahy napětí proud odpor, vodivost, indukčnost, kapacita kmitočet, fáze perioda, střída impulzy, události Spojité nebo diskrétní (v hodnotě nebo čase, digitální signály) Neelektrické teplota poloha a pohyb, zrychlení vlhkost, tlak osvětlení hmotnost chemické složení …. Fyzikální veličiny Veličina vyjádřena časovým průběhem signálu - elektrické veličiny

8. Akční členy topné elementy zdroje světla ventily motory elmg. cívky …. Čidla termočlánky, termistory fotodiody průtokoměry, vakuometry snímače polohy a pohybu, tenzometry a akcelerometry piezoelektrické snímače tlaku Hallovy sondy vlhkoměry detektory částic krystalové snímače (rychlost napařování, teplota,…) Převod elektrických veličin na neelektrické a zpět

9. Analogové signály Přímé, převod A/D a D/A napětí (proud) Nepřímé – mezipřevod na časové veličiny nebo napětí/proud často pro ostatní elektrické veličiny: odpor/vodivost, kapacita, indukčnost Spojitý vs. digitální svět - číslicový počítač – pracuje s diskrétní informací Digitální signály • Přímé měření/řízení • digitální vstupy/výstupy (jedno- a vícebitové logické signály) • čas - frekvence, perioda, délka pulsu, střída signálu, fáze

10. Analogové zpracování signálu Analogový signál upravujeme přímo analogovými elektronickými obvody • Očekávané změny amplitudy a fáze zpravidla závisejí na frekvenci, kmitočtové charakteristiky nastaveny hodnotami pasivních součástek – málo flexibilní

11. Číslicově-analogový převodník (DAC) Vzorkování (S/H) a analogově-číslicový převodník (ADC) Digitální zpracování (DSP) Rekonstrukční filter Anti-aliasing filter Finite Impulse Response Filter ANALOG IN ANALOG OUT Číslicové zpracování signálu Výhody číslicového zpracování • Méně komponent, deterministické stabilní chování, širší uplatnění • Větší šumová odolnost, menší závislost na napájení, teplotě atd. • Jednoduché přeladění filtrů, filtry s menšími tolerancemi, možnost self-testu • Možnost implementace adaptivních filtrů

12. Analogové elektronické obvody analogové< > číslicové obvody spojité a nespojité signály lineární a nelineární (popsané lineárními a nelineárními diferenciálními rovnicemi) podle použitých prvků – lineární např. R, L, C … nelineární např. transistory,diody pasivní a aktivní prvky spojování a řazení prvků v elektronických obvodech paralelní a sériové spojování hlediska navazování v obvodech (druhy vazeb,oddělení,výkonové přizpůsobení)

13. Základní zákony Ohmův zákon U=RI (obecněplatný pro impedance) 1.Kirchhoffův uzlové proudy 2.Kirchhoffův smyčková napětí ostatní – princip superpozice, (odezva lineárního obvoduna několik vstupních signálů je dán součtem jednotlivých odezv) Theveninův a Nortonův teorém

14. Dvojpóly (jednobrany) 1-brany a 2-brany aktivní > < pasivní aktivní ideální zdroj napětí a) “ proudu b) některé diody pasivní odpor definice R=U/I prvek rezistor náhradní obvod (zapojení) vliv vývodů a pouzder teplotní závislost

15. Dvojpóly (jednobrany) kapacita definice prvek kondensátor náboj Q energie impedance Z (admitance Y) (zobecněný Ohmův zák.) náhradní obvod (zapojení) vektorový diagram

16. Dvojpóly (jednobrany) indukčnost definice prvek cívka energie impedance Z (zobecněný Ohmův zák.) náhradní obvod (zapojení) vektorový diagram

17. Dvojpóly (jednobrany) odpory řízené neelektrickou veličinou termistor (záporný teplotní koeficient) – použití pro snímání teploty,teplotní stabilizaci v obvodech posistor (kladný teplotní koeficient) – ochrana prvků před nadměrnými proudy,termostaty k udržování konstantní teploty fotoodpor – velikost ohmického odporu závisí na světle

18. Obvody s diskrétními polovodičovými součástkami Diody pn přechod,VA charakteristika v prvním kvadrantu,souvislost prahového napětí Ud se šířkou zakázaného pásu Ge,Si,Schottky,GaAsP,SiC diferenciální odpor grafická konstrukce detekce rf napětí na diodě rekombinace nosičů náboje omezuje rychlost usměrnění či sepnutí přechodu nelineární prvek

19. Voltampérové charakteristiky diod

20. Další typy diod Zenerova dioda –použití ve stabilisačních obvodech,zdrojích napětí,omezovače atd Zenerův a lavinový jev > teplotní koeficient,šum dynamický odpor LED a foto diody – přeměna elektrického proudu na světlo a opačně (indikace,displeje,použití v optočlenech,světelné závory, zabezpečovací technika aj.) Detekční diody

21. Čtyřpóly (dvojbrany) aktivní transistory bipolární a unipolární pasivní transformátory,kmitočtové filtry

22. Filtry

23. Transistory bipolární Základní aktivní prvek analogové i číslicové techniky V analogových obvodech použití pro zesilování signálů,spínání Fyzikální model-struktury NPN,PNP-dvě vodivostní struktury 2 druhy nosičů náboje-majoritní a minoritní Elektrické parametry stejnosměrné a střídavé Nelineární prvek - výhodné graficko-matematické řešení Střídavé parametry – nejčastěji používané „h-parametry“ slouží pro návrh obvodů pomocí maticového počtu Stejnosměrné parametry – smysl a význam nejlépe patrné z obrázku tzv. voltampérových charakteristik

25. Bipolární transistor-VA charakter. Stejnosměrné VA charakteristiky bipolárního transistoru > par.UC IC / IB > > par. IB IC / UC > par.UC IB / UB > > par.I B UC /UB

26. Pracovní oblast tranzistoru

27. Bipolární versus CMOS technologie Unipolární tranzistory mají velký vstupní odpor, řádu 1014 Ohmu, tudíž pro jejich řízení nepotřebujeme výkon. Tento aspekt se příznivě odrazí zejména v konstrukci logických obvodů, kde s velkou hustotou integrace u bipolárních technologií strmě narůstá příkon (a tím teplo) obvodu.

28. Pracovní bod Soubor stejnosměrných parametrů,udávající jednoznačně polohu ve VA charakteristikách (obvodu) Může být ovlivněn neelektrickými parametry Nastavení a stabilizace Pracovní bod diody:

29. Pracovní bod transistoru Základní zapojení transistoru v obvodu s rezistory určujícími polohu pracovního bodu Metody řešení vícesmyčkových obvodů-aplikace Ohmova a Kirchhoffových zákonů

30. Pracovní bod transistoru Teplotní závislost pracovního bodu Metody stabilizace-použití teplotně závislých prvků , nebo volba obvodových prvků v zapojení

31. Zesilovače Stejnosměrné zesilovače Přenos ss signálů-možnost ovlivnění posunem ss pracovního bodu Symetrické zapojení pro kompenzaci – tzv. diferenciální stupeň Základní zapojení pro tzv. operační zesilovače Hlavní parametry drift,ofset U vícestupňových zesilovačů stabilita

32. Zesilovače Příklad vícestupňového zesilovače s galvanickou vazbou mezi stupni,velmi vhodnou pro možnost integrace (OZ) Lze použít jako zesilovač stejnosměrných i střídavých signálů Základní parametryzesilovačů-zesílení,vstupní a výstupní odpor, kmitočtová a fázová charakteristika,drift,výkon

33. Zesilovače - přenos • Očekáváme: • věrnost přenosu (výstupní signál má stejný tvar jako vstupní) – poměr harmonických složek signálu by se měl zachovávat, neměl by se měnit jejich fázový posuv => modulová a fázová frekvenční charakteristika konstantní • běžné střídavé zesilovače • vysoké frekvence - zesílení klesá s rostoucí frekvencí díky vnitřním paralelním kapacitám (např. Millerova kapacita bip. tranzistoru) • Nízké frekvence – zesílení klesá s poklesem frekvence díky použití sériových kapacit ve vazbách • přenosové pásmo FBW = FHI – FLO (body s poklesem zesílení o -3dB, tj. 1/√ 2)

34. 0dB -3dB +45° -45° Bodeho diagram Bodeho diagram Modulová a fázová frekvenční charakteristika jednostupňového střídavého zesilovače

35. Bodeho diagram Vícestupňové zesilovače Logaritmické modulové (dB) a fázové charakteristiky jednotlivých stupňů se sčítají • 1 stupeň – 20dB/dek, posuv +/- 90deg • 2 stupně – 40dB/dek, posuv +/- 180deg • 3 stupně – 60dB/dek, posuv +/- 270deg Kritické pro možnost oscilací S počtem stupňů se zužuje přenosové pásmo

36. Zesilovače-zpětná vazba, stabilita Pojem zpětné vazby Kladná a záporná Vliv vazby na zesílení,kmitočtovou charakteristiku a stabilitu Nyquistovo kriterium stability Zpětná vazba jednoznačně definuje zesílení Možnost změny zpětné vazby U2= A0*(U1+ * U2) A=A0/(1+ A0) ~ 1/ 

37. Rozdělení vazeb dle zapojeník výstupu Napěťová vazba Proudová vazba výstupní odpor klesá roste

38. Rozdělení vazeb dle připojeníke vstupu Seriová vazba Paralelní vazba vstupní odpor roste klesá

39. Záporná zpětná vazba • Záporná ZV • rozšiřuje přenosové pásmo, snižuje zkreslení • zlepšuje stabilitu zesílení (  vs. A0) • modifikuje vst./výst. impedanci

40. Kladná zpětná vazba-oscilátory Oscilátor s T – článkem (harmonický sinusový průběh) Stupeň vazby se řídí potenciometrem Oscilátor s trafo-vazbou (neharmonický obdélníkový průběh) Oscilátor-multivibrátor využívající nabíjení-vybíjení RC členů

41. Operační zesilovač • Operační zesilovač je širokopásmový diferenciální zesilovač se stejnosměrným vstupem, s velkým vstupním odporem Ri řádu stovky kΩ až několika MΩ, s malým výstupním odporem řádu 100 Ω a velkým zesílením větším než 104. • Operační zesilovač byl původně používán jako základní jednotka analogových počítačů, diferenciálních analyzátorů sestavená z diskrétních prvků (tranzistory, odpory atd.). S rozvojem hybridních a později monolitických integrovaných obvodů se stal operační zesilovač samostatnou jednotkou, elektronickým prvkem. • Původně používán v analogových počítačích, pro základní aritmetické operace sečítání, odečítání, dělení a násobení a rovněž pro integraci analogových signálů. • Dnes uplatnění v řadě dalších elektronických obvodů jako stejnosměrné i střídavé zesilovače, komparátory, elektronický vzorkovací obvod (analogová paměť), klopné obvody a generátory signálů, aktivní filtry, převodníky z analogového signálu na číselnou hodnotu a naopak.

42. Ideální operační zesilovač – definice • Zesílení ideálního operačního zesilovače v otevřené smyčce A a vstupní odpor Ri jsou nekonečně velké. Výstupní odpor Ro je nulový. I+ = I- = 0 • Nemá ofset ani drift. • Ofset = nenulový výstupní signál při zkratovaných a uzemněných vstupních svorkách • Drift = změna ofsetu s časem a teplotou. • Vliv součtového signálu je nulový, tj. činitel potlačení součtového signálu KCMR→ ∞. • Zesiluje rovnoměrně signály všech frekvencí včetně nulové; je to tedy stejnosměrně vázaný zesilovač. • Výstupní úroveň nezávisí na napájení, rozkmit Eo není omezen. • Jako zesilovač s velkým zesílením není operační zesilovač prakticky použitelný bez záporné zpětné vazby. Teorie ideálního operačního zesilovače je tak v podstatě teorií jeho zpětné vazby. Eo = A(E+ - E-) + A/KCMR (E+ + E-)/2

43. Reálný operační zesilovač • Skutečné (reálné) OZ se liší od ideálních • Početní chyby – konečné hodnoty A, Ri, Ro • Statické chyby • Ofset, drift, vstupní proudy a jejich nesymetrie, teplotní závislost • Závislost výstupu na součtovém vstupním signálu • Závislost výstupu na napájení • Omezení rozkmitu výstupu, saturační napětí • Dynamické chyby • Závislost A na kmitočtu, změna fáze výstupního signálu s kmitočtem • Konečná rychlost přeběhu • Šumová složka ve výstupu (vnitřní zdroje i zesílení šumu na vstupu)

44. Základní zapojení OZ – invertující zesilovač • Pro ideální OZ (Ei = 0, is = 0) • Pro obecné pasivní prvky

45. Základní zapojení OZ – neinvertující zesilovač • Pro ideální OZ (Ei = 0, is = 0) • Pro obecné pasivní prvky

46. Základní zapojení OZ – napěťový sledovač • Pro ideální OZ (Ei = 0, is = 0)

47. Ui U´i A β βUo Vliv zpětné vazby OZ • βA < 0 záporná ZV (A*<A) • βA > 0kladná ZV (A*>A) • βA → 1 nestabilní zapojení (A* → ∞) • |A| → ∞ … Uo Zesílení id. OZ s uzavřenou ZV smyčkou je dáno jen parametry ZV

48. Porovnání ideálního a reálného OZ • Základní zapojení s ideálním OZ • Základní zapojení s reálným OZ A – zesílení OZ s otevř. smyčkou, β – koef. zpětné vazby z výstupu na vstup, např. pro invertující zapojení

49. Porovnání ideálního a reálného OZ • Konečné zesílení v otevřené smyčce A: • Nenulový výstupní odpor Rv, odpor zátěže RL

50. Statické chyby OZ a jejich kompenzace