Przygotowanie i testowanie układu pomiarowego

1
02-01-2008
PRACOWNIA ELEKTRONICZNA
Instrukcja do ćwiczenia pt. "Detektor fazowy”
Ćwiczenie wykonywane jest z wykorzystaniem makiety. Oprócz niej w doświadczeniu niezbędny jest
zasilacz, oscyloskop, generator i woltomierz cyfrowy.
Schemat makiety przedstawiono w dalszej części instrukcji. W torze przetwarzania sygnału badanego
znajduje się wzmacniacz sumujący o różnych współczynnikach wzmocnienia, przełącznik synchroniczny
ze wzmacniaczem różnicowym oraz układ całkujący o regulowanej stałej czasowej. W torze
przetwarzania sygnału synchronizacji znajduje się przesuwnik fazy, zapewniający płynną jej regulację w
zakresie od 0 do 180o oraz układ kształtowania sygnału przełączającego, za pomocą którego można fazę
zmieniać skokowo o dodatkowe 180o. Ponadto na makiecie znajduje się także generator szumów o
regulowanej amplitudzie wyjściowej.
Połączenia poszczególnych stopni dokonuje się za pośrednictwem gniazd i kabli w systemie identycznym
jak w przypadku makietach cyfrowych. Gniazda koncentryczne BNC służą do wprowadzania lub
wyprowadzania sygnałów. Rozgałęzienie wejść i wyjść poszczególnych podzespołów pozwala na badanie
sygnałów w różnych punktach detektora fazowego.
Makieta działa prawidłowo po zasileniu jej napięciem różnicowym 40 V. Prawidłowość zasilania
sygnalizowana jest świeceniem dwóch diod.
Rys. 1 Podstawowy układ z detektorem fazowym
1z5
2
02-01-2008
Przygotowanie systemu do ćwiczenia.
Część pierwsza :




Za pomocą sygnału o kształcie sinusoidalnym wyprowadzonym z bocznego wyjścia generatora
dokonać zewnętrznej synchronizacji podstawy czasu oscyloskopu.
Z głównego wyjścia generatora doprowadzić sygnał sinusoidalny o częstości 1000 Hz do wejścia
(x1) wzmacniacza wejściowego. Określić zakres liniowości wzmacniacza wejściowego oraz jego
wzmocnienie (wykorzystując wejście o wzmocnieniu x1 a także x10 ).
Z bocznego wyjścia generatora doprowadzić sinusoidalny sygnał odniesienia przesuwnika
fazowego. Określić zakres przesunięcia fazy, jakie daje ten przesuwnik.
Podłączyć wyjście przełącznika synchronicznego do oscyloskopu. Dobrać przesunięcie fazowe
tak, aby na wyjściu powstał sygnał dwupołówkowo wyprostowany. W przypadku niemożliwości
uzyskania tego efektu, wykorzystać zastępczo drugie wyjście układu kształtowania sygnału
przełączającego przesunięte o 180 o.
Po dokonaniu tych czynności detektor fazowy jest przygotowany do pracy. Należy doprowadzić sygnał z
wyjścia przełącznika synchronicznego na wejście układu całkującego, a wyjście układu całkującego
połączyć z woltomierzem cyfrowym. Sprawdzić, że napięcie stałe na wyjściu układu całkującego jest
proporcjonalne do amplitudy sygnału sinusoidalnego podłączonego do wzmacniacza wejściowego.
W przypadku, gdy sygnał wyjściowy jest niestabilny, można dokonać redukcji szumów zwiększając stałą
czasową układu całkującego. Należy pamiętać, że sygnał wyjściowy stabilizuje się z dokładnością do 2%
po czasie równym około czterem stałym całkowania, co wymaga odpowiedniej zwłoki między
momentem ustalenia amplitudy sygnału wejściowego a momentem odczytu.
Wykonanie pomiarów:
1.
2.
3.
W możliwie szerokim zakresie amplitud sygnału wejściowego zbadać liniowość pracy detektora
fazowego. Amplitudę sygnału sinusoidalnego należy mierzyć za pomocą oscyloskopu.
Ustalić amplitudę sygnału na wysokim poziomie, ale w zakresie liniowej pracy układu.. Zbadać
zależność napięcia wyjściowego detektora fazowego od przesunięcia fazowego sygnału odniesienia.
Do wejścia wzmacniacza doprowadzić sygnał z generatora szumów. Amplitudę szumów ustalić na
takim poziomie, aby nie powodować przesterowania wzmacniacza. Zsumować szumy z sygnałem z
generatora. Zbadać liniowość pracy detektora fazowego dla różnego stosunku sygnału do szumu.
Wyznaczyć minimalny stosunek sygnału do szumu, przy którym błąd pomiaru nie przekracza 10 %.
2z5
3
Widok płyty czołowej makiety „Detektora fazowego”
3z5
02-01-2008
4
02-01-2008
Część druga :
Badanie rzeczywistego układu z szumami, z diodą świecąca (LED) sterowaną z generatora jako źródło
zmiennego sygnału i fotodiodą (FD) jako odbiornik sygnału zaszumionego światłem z otoczenia,
podawanego na detektor fazowy
Rys. 2. Schemat blokowy detektora fazowego z dodatkową płytką diod LED – FD.
Przygotowanie i testowanie układu pomiarowego
Połączyć układ zgodnie z rysunkiem 2
Zamiast sygnału z generatora na wejście pomiarowe (x10) podać sygnał z fotodiody FD, natomiast
generator wykorzystać do zasilania diody LED.
Preferowane ustawienie diody LED: składowa stała generatora ustawiona na ekstremum, sygnał
sinusoidalny o częstotliwości ok. 1 kHz, moc świecenia kontrolować pokrętłem generatora „amplituda”.
Zminimalizować szum zakrywając układ przed światłem zewnętrznym.
Sprawdzać sfazowanie układu, czyli zgodność fazy sygnału z sygnałem odniesienia . Włączyć zakłócenia
pamiętając o nie przekraczaniu zakresu liniowości układu.
Porównać wartości amplitudy na wyjściu wzmacniacza oglądanej na oscyloskopie i napięcia stałego
mierzonego woltomierzem, w zależności od wielkości zakłóceń i ich rodzaju (światło jarzeniowe, lampa).
Wykonanie pomiarów
Wielkością mierzoną będzie natężenie świecenia diody LED, ale tylko składowej zmiennej strumienia
świetlnego. Miarą natężenia świecenia jest napięcie wyjściowe z fotodiody FD, które w zakresie
0 -150 mV jest proporcjonalne do strumienia świetlnego.
Optymalne warunki pomiaru osiągamy przez regulację przesunięcia fazowego (ostateczną korekcję
uzyskuje się zmianą częstości sygnału) i dobór stałej czasowej (im słabszy sygnał – tym dobrać dłuższą
stałą czasową). Należy pamiętać, że sygnał wyjściowy stabilizuje się z dokładnością ok. 0,7 % po czasie
równym pięciu stałym czasowym, co wymaga odpowiedniej zwłoki między momentem ustalenia
amplitudy sygnału wejściowego a momentem odczytu.
Wyznaczyć „zero” układu pomiarowego dla zerowego sygnału wejściowego.
1. W możliwie szerokim zakresie wartości sygnału z fotodiody zbadać liniowość pracy detektora
fazowego. Napięcie międzyszczytowe sygnału sinusoidalnego (rys. 2) należy mierzyć za pomocą
oscyloskopu i jednocześnie wartość średnią przetworzonego sygnału odczytywać za pomocą
woltomierza napięcia stałego. Należy sporządzić wykres zależności obu wielkości, omówić rezultaty.
4z5
5
02-01-2008
2. Zaburzać badany sygnał niezależnymi źródłami światła a także sygnałem z generatora szumów
pamiętając o liniowych zakresach pomiarowych fotodiody i detektora fazowego.
Wyznaczyć minimalny stosunek sygnału do szumu (ang. S/N ratio) przy możliwie małym sygnale
fotodiody, dla którego błąd pomiaru nie przekracza 10%, omówić rezultaty.
Przykład: Gdy do małego sygnału wejściowy 0.1-1mV z diody LED, dającego napięcie na fotodiodzie,
dodamy sygnał szumów (z lampy) - to z ograniczeń fotodiody, sygnał wyjściowy na fotodiodzie nie
może przekroczyć 150 mV, a odpowiednio na wzmacniaczu (10x) 1.5 V
Uwagi:
1. Sygnał stały po przejściu przez detektor fazowy staje się sygnałem prostokątnym, którego wartość po
uśrednieniu wynosi 0.
2. Sygnał sinusoidalny o amplitudzie A zostaje wyprostowany do wartości A·2/π
3. Diodę świecącą LED stosujemy w układzie zasilania jak niżej. Zastosowana dodatkowa dioda
prostownicza służy do zabezpieczenia diody LED przed zbyt dużym napięciem wstecznym.
4. Układ fotodiody pracuje w modzie fotowoltaicznym, tj. bez polaryzacji. Przyjmujemy, że fotodioda ma
charakterystykę liniową dopóki napięcie wyjściowe nie przekroczy 150 mV.
Schemat zastępczy fotodiody pokazuje poniższy rysunek
6. Aby pomiary przebiegały poprawnie należy wstępnie dopilnować dwóch elementów :
 Dioda LED powinna świecić dokładnie w środek fotodiody
 Przesunięcie fazy między sygnałem mierzonym a sygnałem odniesienia powinno być równe zero.
5z5