1

Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií Meranie charakteristík operačných zosilňovačov pomocou LabVIEW Bc. Roman Barčík 2006

Meranie charakteristík operačných zosilňovačov pomocou LabVIEW DIPLOMOVÁ PRÁCA Bc. ROMAN BARČÍK ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií Študijný odbor: TEKOMUNIKÁCIE Vedúci diplomovej práce: Ing. Anna Kondelová Stupeň kvalifikácie: inžinier (Ing.) Dátum odovzdania diplomovej práce: 19.05.2006 ŽILINA 2006 2

Abstrakt Diplomová práca sa venuje meraniam a simuláciám charakteristík operačných zosilňovačov vo vývojovom prostredí LabVIEW, ktorý sa používa v meracej technike pri návrhu a konštrukcii tzv. virtuálnych prístrojov (VI). Merania sú realizované pomocou systéme NI ELVIS, ktorý je určený na meranie prostredníctvom počítača a programu LabVIEW. V teoretickej časti je popísaná teória operačných zosilňovačov, vývojové prostredie LabVIEW a systém NI ELVIS. Praktická časť je venovaná meraniam charakteristík operačných zosilňovačov v navrhnutých zapojeniach na systéme NI ELVIS. Merania sú porovnávané s uskutočnenými simuláciami operačných zosilňovačov v programe LabVIEW s implementovanou tolerančnou analýzou obvodových prvkov a napájacích napätí. Záverečná časť sa zaoberá návrhom a uskutočnením VI meraní operačných zosilňovačov pre potreby dištančného vzdelávania predmetu ELEKTRONIKA. 3

, Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií Anotačný záznam Diplomová práca Priezvisko a meno: Bc. Roman Barčík Školský rok: 2005/2006 Názov práce: Meranie charakteristík operačných zosilňovačov pomocou LabVIEW Počet strán: 62 Počet obrázkov: 35 Počet tabuliek: 6 Počet grafov: 0 Počet príloh: 13 Použitá literatúra: 12 Anotácia (slovenský resp. český jazyk): Táto diplomová práca sa zaoberá teoretickým popisom operačných zosilňovačov, ich vlastnosťami a zapojeniami. Merania a simulácie charakteristík operačných zosilňovačov sú realizované pomocou vývojového prostredia LabVIEW a systéme NI ELVIS. Anotácia v cudzom jazyku ( anglický resp. nemecký): This diploma work deals with theoretic description of operational amplifiers, their basic properties and connections. Measurements and simulations characteristics operational amplifiers are realisation by development environment LabVIEW and system NI ELVIS. Kľúčové slová: operačný zosilňovač, LabVIEW, systém NI ELVIS, DAQ hardvér, SFP softvér, meranie, simulácia, VI merania, napäťový offset, napäťová symetria, zosilnenie, frekvenčná odozva, signál Vedúci práce: Ing. Anna Kondelová Recenzent práce: Ing. Iveta Ondrášová CSc. Dátum odovzdania práce: 19.5.2006 4

Obsah 1 Úvod...7 2 Teória obvodov...13 2.1 Operačné zosilňovače...13 2.2 Parametre operačných zosilňovačov...14 2.2.1 Ideálny operačný zosilňovač...14 2.2.2 Reálny operačný zosilňovač...15 3 Vývojové prostredie LabVIEW...16 3.1 Úvod do LabVIEW...16 3.2 Základné časti virtuálneho prístroja...16 3.2.1 Čelný panel...17 3.2.2 Blokový diagram...19 3.2.3 Riadenie behu aplikácie...21 3.2.4 Ikona a konektor...21 3.3 Práca vo vývojovom prostredí...22 4.1 NI ELVIS hardware...25 4.1.1 NI ELVIS pracovná stanica...26 4.1.2 NI ELVIS prototypová doska...28 4.1.3 Princíp činnosti a technické parametre NI ELVIS hardvéru...29 4.2 NI ELVIS Softvér...31 4.2.1 SFP prístroje...31 4.2.2 Programovanie NI ELVIS systému...37 4.3 DAQ hardware...40 4.3.1 DAQ hardware v NI ELVIS systéme...40 4.3.2 DAQ hardvér NI PCI 6221...41 4.4 Prepojenie signálov medzi NI ELVIS systémom a DAQ hardvérom...41 5 Meranie charakteristík operačných zosilňovačov v programe LabVIEW...43 5.1 Napäťový offset OZ...43 5.1.1 Teoretický rozbor...43 5.1.2 Meranie napäťového offsetu OZ...43 5.2 Napäťová symetria OZ...46 5.2.1 Teoretický rozbor...46 5

5.2.2 Meranie napäťovej symetrie OZ...48 5.3 Zosilnenie operačného zosilňovača...50 5.3.1 Teoretický rozbor...50 5.3.2 Meranie zosilnenia operačného zosilňovača...50 5.4 Napäťové zosilnenie OZ pri sínusovom a obdĺžnikovom signáli...53 5.4.1 Teoretický rozbor...53 5.4.2 Meranie napäťového zosilnenia OZ pri sínusovom a obdĺžnikovom signáli...54 5.5 Frekvenčná odozva OZ...59 5.5.1 Teoretický rozbor...59 5.5.2 Meranie frekvenčnej odozvy OZ...60 6 Tolerančná analýza obvodových prvkov a napájacích napätí...63 7 Simulácia operačného zosilňovača v programe LabVIEW...64 7.1 Simulácia OZ: Napäťový offset OZ...64 7.2 Simulácia OZ: Napäťová symetria OZ...65 7.2.1 Neinvertujúce zapojenie OZ...65 7.2.2 Invertujúce zapojenie OZ...66 7.3 Simulácia OZ: Zosilnenie operačného zosilňovača...66 7.4 Simulácia OZ: Napäťové zosilnenie OZ pri sínusovom a obdĺžnikovom signáli...67 7.4.1 Neinvertujúce zapojenie OZ...67 7.4.2 Invertujúce zapojenie OZ...68 7.5 Simulácia OZ: Frekvenčná odozva OZ...69 7.5.1 Neinvertujúce zapojenie OZ...69 7.5.2 Invertujúce zapojenie OZ...70 8 Návrhy VI meraní OZ pre potreby dištančného vzdelávania...71 8.1 VI merania na operačných zosilňovačoch...71 8.2 VI meranie na aktívnom pásmovom priepuste...71 8.3 VI meranie na korekčnom zosilňovači...71 9 Záver...72 10 Zoznam použitej literatúry...73 6

Zoznam obrázkov a tabuliek Obrázok 2.1 Obrázok 3.1 Obrázok 3.2 Obrázok 3.3 Obrázok 3.4 Obrázok 3.5 Obrázok 4.1 Obrázok 4.2 Obrázok 4.3 Obrázok 4.4 Obrázok 4.5 Obrázok 4.6 Obrázok 4.7 Obrázok 4.8 Obrázok 4.9 Obrázok 4.10 Obrázok 4.11 Obrázok 4.12 Obrázok 4.13 Obrázok 5.1 Obrázok 5.2 Obrázok 5.3 Obrázok 5.4 Obrázok 5.5 Obrázok 5.6 Obrázok 5.7 Obrázok 5.8 Obrázok 5.9 Obrázok 5.10 Obrázok 5.11 Schematická značka OZ Čelný panel virtuálneho prístroja Ponúka prvkov čelného panelu Blokový diagram virtuálneho prístroja Paletové menu funkcií a štruktúr blokového diagramu Miesto pre ikonu a konektor virtuálneho prístroja NI ELVIS systém Časti NI ELVIS systému NI ELVIS hardvér Ovládací panel NI ELVIS pracovnej stanice NI ELVIS prototypová doska Bloková schéma NI ELVIS voltmetra vstupné signály Instrument Launcher Virtuálny prístroj Bode Analyzer Virtuálny prístroj Digital Multimeter DMM Virtuálny prístroj Function Generator FGEN Virtuálny prístroj Oscilloscope Scope Virtuálny prístroj Variable Power Supplies Aplikácia premenlivého napájacieho zdroja Zapojenie OZ pre meranie napäťového offsetu Virtuálny prístroj DMM: U out = 0,629 V Virtuálny prístroj DMM: U out = 69,479 mv Neinvertujúce zapojenie OZ Invertujúce zapojenie OZ Prevodová charakteristika neinverujúceho zapojenia OZ Nastavenie napätia na virtuálnom prístroji Variable Power Supplies Schéma zapojenia pre meranie zosilnenia OZ Virtuálny prístroj DMM: U out = -10,062 V Virtuálny prístroj DMM: U I = 0,064 V Virtuálny prístroj DMM: U I = 0,638 mv 7

Obrázok 5.12 Obrázok 5.13 Obrázok 5.14 Obrázok 5.15 Obrázok 5.16 Tabuľka 4.1 Tabuľka 4.2 Tabuľka 5.1 Tabuľka 5.2 Tabuľka 5.3 Tabuľka 5.4 Funkcia a) neinvertujúceho vstupu b) invertujúceho vstupu Časová odozva napätia na výstupe OZ Neinvertujúce zapojenie OZ Invertujúce zapojenie OZ Amplitúdová frekvenčná charakteristika OZ Signálová korelácia Analógové prepojenie vstupných signálov Namerané hodnoty U in, U out a vypočítané hodnoty A u (sínusový signál) Namerané hodnoty U in, U out a vypočítané hodnoty A u (obdĺžnik. signál) Namerané hodnoty U in, U out a vypočítané hodnoty A u (sínusový signál) Namerané hodnoty U in, U out a vypočítané hodnoty A u (obdĺžnik. signál) 8

Zoznam skratiek a symbolov Skratky: OZ LabVIEW G DAQ VI Sub VI NI GUI PCI A/D AI AO I/O DIO ADC DAC CMRR GND DMA DC AC NI ELVIS API USB BNC SFP DMM operačný zosilňovač Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench (Graphical language) grafický jazyk (Data Acquisition) zber dát (Virtual Instrument) virtuálny prístroj (Sub Virtual Instrument) podriadený virtuálny prístroj (National Instruments) názov spoločnosti (Graphical User Interface) grafické užívateľské rozhranie (Peripheral Component Interconnect) konektor pre pripojenie periférnych zariadení analógovo / digitálny (analog input) analógový vstup (analog output) analógový výstup (input / output) vstup / výstup (digital input / output) digitálny vstup / výstup analógovo digitálny prevodník digitálne analógový prevodník (common mode rejection ratio) činiteľ potlačenia súčtového signálu (ground) zem (direct memory access) priamy prístup do pamäte jednosmerné veličiny striedavé veličiny (NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite) virtuálna laboratórna vzdelávacia prístrojová súprava (Application Program Interface) aplikačné programovacie rozhranie (universal serial bus) univerzálna sériová zbernica (Bayonet Neill-Concelman) konektor (soft front panel) predný panel (digital multimeter) digitálny multimeter 9

ARB DSA LED FGEN Scope HI LO CH D-SUB atď. virt. príst. (Arbitrary Waveform Generator) generátor ľubovoľne tvarovaného priebehu (Dynamic Signal Analyzer) analyzátor dynamických signálov (light-emitting diode) dióda emitujúca svetlo (function generator) funkčný generátor osciloskop kladný vstup záporný vstup (channel) kanál konektor a tak ďalej virtuálny prístroj Symboly: +U CC kladné napájacie napätie U CC záporné napájacie napätie U d U + U - A A u A udb A OL A N A IN U U in U out u in u out U omax U p-p rozdielové napätie napätie na neinvertujúcom vstupu napätie na invertujúcom vstupu zosilnenie napäťové zosilnenie napäťové zosilnenie v db napäťové zosilnenie pri otvorenej slučke napäťové zosilnenie neinvertujúceho zapojenia OZ napäťové zosilnenie invertujúceho zapojenia OZ napätie vstupné jednosmerné napätie výstupné jednosmerné napätie vstupné striedavé napätie výstupné striedavé napätie rozkmit výstupného napätia napätie špička špička 10

f f p f m f T f 0 f d f h R d R 0 U IO U offset R R S R L C C k B Z frekvencia frekvencia prenosu medzná frekvencia tranzitná frekvencia referenčná frekvencia dolná frekvencia (pokles prenosu o 3dB) horná frekvencia (pokles prenosu o 3dB) vstupný odpor medzi neinvertujúcim a invertujúcim vstupom vnútorný odpor operačného zosilňovača voči zemi vstupné offsetové napätie offsetové napätie rezistor vstupný rezistor zaťažovací rezistor kapacitor korekčný kapacitor stupeň spätnej väzby impedancia 11

1 Úvod S pokrokom doby sa návrhári a konštruktéri elektrotechnických systémov a zariadení uberajú cestou využitia moderných softvérových alebo hardvérových technológií. Vďaka ich využitiu dostávajú ďaleko väčšie možnosti na realizáciu svojich predstáv, čim sa podstatne zjednodušuje a zrýchľuje ich pracovná činnosť. Využitie moderných technológií, preto začína presadzovať mnoho spoločností, ktoré sa zaoberajú vývojom. Vhodnou kombináciou technického a programového vybavenia je možné navrhnutý systém alebo zariadenie odsimulovať a požadované parametre priamo zobraziť pomocou počítača na monitore. Takéto riešenie začínajú používať aj univerzity na rôznych laboratórnych cvičeniach. Možným riešením kombinácie technického a programového vybavenia je aj vývojové prostredie LabVIEW od firmy National Instruments s jeho prídavnými hardvér komponentmi. V diplomovej práci sa budem zaoberať meraním a simuláciou charakteristík operačných zosilňovačov vo vývojovom prostredí LabVIEW na meracom systéme NI ELVIS, ktoré spolu tvoria ucelený skúšobný systém. Ďalej sa budem zaoberať využitím systému pre potreby dištančného vzdelávania predmetu ELEKTRONIKA. 12

2 Teória obvodov 2.1 Operačné zosilňovače Operačný zosilňovač OZ je v podstate diferenciálny jednosmerný aj striedavý zosilňovač s veľkým zosilnením realizovaný v integrovanej forme. Základom jeho vnútornej štruktúry je diferenciálny (mostíkový) jednosmerný zosilňovač. Ide o univerzálny obvod so širokým spektrom využitia. OZ môže mať vstup aj výstup symetrický alebo nesymetrický. Najčastejšie sa používa kombinácia symetrický vstup a nesymetrický výstup. Potom jeden zo symetrických vstupov, ktorý nespôsobuje otočenie fázy výstupného signálu sa nazýva neinvertujúci (označujeme ho znamienkom +) a druhý, ktorý spôsobuje otočenie fázy sa nazýva invertujúci (označujeme ho znamienkom -). OZ má symetrické napájanie kladné +U CC a záporné U CC.. Rozhranie operačného zosilňovača na obr. 2.1 obsahuje: neinvertujúci vstup, invertujúci vstup, výstup, dva napájacie vývody, ktoré sa v schémach obyčajne nekreslia, vstupy na kompenzáciu prenosovej charakteristiky a kompenzáciu driftov. Obr.2.1 Schematická značka OZ Vstupný rozdielový zosilňovač zosilňuje len rozdiel napätí U d medzi neinvertujúcim a invertujúcim vstupom. Platí: = U U (1) U d + 13

Pre výstupné napätie U out platí vzťah: U out = A.U d, (2) kde A reprezentuje zosilnenie operačného zosilňovača. Vzťah platí len pre výstupné napätie, ktoré je menšie ako napätia napájania. Ak spojíme kladný a záporný vstup, je U + = U -, rozdielové napätie U d je nulové a výstupné napätie je tiež nulové, bez ohľadu na vstupnú hodnotu napätia. Ideálny OZ je aktívna dvojbrána, ktorej napäťové zosilnenie a vstupná impedancia sú neobmedzene veľké. Veľmi veľké zosilnenie operačného zosilňovača sa dosahuje viacstupňovou štruktúrou, pričom možnosť zosilňovania jednosmerného signálu je zabezpečená použitím jednosmernej medzistupňovej väzby. Obvody spätnej väzby sa pripájajú zvonku integrovaného obvodu. Vzhľadom na veľmi veľké zosilnenie A OL operačného zosilňovača, výsledné napäťové zosilnenie je určené výhradne veľkosťou prvkov tvoriacich spätnú väzbu. [1] 2.2 Parametre operačných zosilňovačov 2.2.1 Ideálny operačný zosilňovač Väčšina výpočtov a úvah predpokladá použitie ideálneho OZ, ktorý má nasledujúce základné vlastnosti: nekonečné zosilnenie v celom frekvenčnom pásme, zosilnenie zosilňovača musí byť nezávislé na veľkosti výstupného prúdu, nekonečnú vstupnú impedanciu, operačný zosilňovač žiadnym spôsobom neovplyvňuje okolité obvody, vstupné prúdy invertujúceho i neinvertujúceho vstupu sú nulové, nulový výstupný odpor, nulové napätie pri skrate obidvoch vstupov na zem (stred napájacieho napätia), rozdiel napätí obidvoch vstupov je nulový, statická prevodová charakteristika je priamka a platí: U out = f (U in ) (3) (U in je vstupné napätie a U out je výstupné napätie), fázový posuv výstupného napätia voči vstupnému je 0 alebo π v celom prenášanom pásme, parametre OZ nie sú závislé na zmenách napájacieho napätia a teploty. [1] 14

2.2.2 Reálny operačný zosilňovač Reálne vlastnosti operačného zosilňovača definuje viacero parametrov, ktoré sú viazané na určité predpísané pracovné podmienky. Medzi základné parametre paria: napäťová nesymetria vstupov operačného zosilňovača U IO je napätie, ktoré sa musí priviesť medzi vstupné svorky + a - OZ, aby výstupné napätie bolo nulové, prúdová nesymetria vstupov I IO je rozdiel prúdov do obidvoch vstupov, ak je výstupné napätie nulové, vstupný kľudový prúd I IB je stredná hodnota jednosmerných prúdov tečúcich medzi vstupnými svorkami a zemou pri nulovom vstupnom signály, vstupný napäťový rozsah U in je rozsah vstupných napätí, v ktorom má operačný zosilňovač špecifikované funkčné vlastnosti, vstupný odpor R d je odpor medzi neinvertujúcim a invertujúcim vstupom, výstupný odpor R 0 je vnútorný odpor operačného zosilňovača voči zemi, napäťové zosilnenie pri otvorenej slučke A OL je napäťové zosilnenie definované pre predpísanú záťaž, napájacie napätie a maximálny prípustný neskreslený signál pri kompenzovanej napäťovej nesymetrií vstupov, napájacie napätie U CC je napájacie napätie (+U CC, -U CC ) operačného zosilňovača, rozkmit výstupného napätia U omax je rozkmit napätia na výstupe OZ pri danom napájacom napätí (+U CC, -U CC ) a odporovom zaťažení R L, napájacie prúd I CC je napájací prúd OZ pri nulovom výstupnom napätí, frekvenčný rozsah, šírka pásma B je frekvenčné pásmo, v ktorom A u poklesne o 3dB vzhľadom na hodnotu pri referenčnej frekvencií f o, tranzitná frekvencia f T je frekvencia, pri ktorej platí: A OL (f T ) = 1, (4) činiteľ potlačenia súčtového signálu CMMR, sa vyjadruje pomerom vstupného napäťového rozsahu U I k maximálnej zmene napäťovej nesymetrie v tomto rozsahu, pri otvorenej slučke spätnej väzby, rýchlosť priebehu SR výstupného napätia udáva rýchlosť zmeny výstupného napätia pri veľkom vstupnom signáli. Táto hodnota úzko súvisí s maximálnou frekvenciou prenosu f p a amplitúdou signálu U out na výstupe OZ. Platí: SR = 2*π*fp*U out (5) [2] 15

3 Vývojové prostredie LabVIEW 3.1 Úvod do LabVIEW LabVIEW (Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench) je programovacie vývojové prostredie pre vytváranie aplikácií, tzv. virtuálnych prístrojov, orientovaných na oblasti merania, spracovania a použitia nameraných dát. Poskytuje užívateľovi plnohodnotný programovací jazyk zo všetkými odpovedajúcimi dátovými a programovými štruktúrami v grafickej podobe tzv. G jazyk (Graphical language). LabVIEW je teda vývojovým prostredím na úrovni napríklad C jazyka, ale na rozdiel od neho nie je orientovaný textovo, ale graficky. Výsledný produkt vývojového prostredia sa nazýva virtuálny prístroj (Virtual Instrument), pretože svojimi prejavmi a činnosťami pripomína klasický prístroj vo svojej fyzickej podobe. LabVIEW obsahuje knižnice pre získavanie dát, ovládače GPIB a sériového rozhrania RS 232, pre analýzu dát, prezentáciu dát a pre ich uchovanie. Obsahuje tiež klasické programovacie nástroje, ktorými možno nastaviť miesta prerušenia behu programu, animovať chod sledu príkazov, aby bolo zrejmé, ako dáta prechádzajú programom a krokovať program pre ľahšie odlaďovanie a vývoj. LabVIEW obsahuje vstavané knižnice pre plug-in DAQ karty a prístroje GPIB, VXI a sériovej komunikácie, rozšíriteľnú knižnicu analýz pre spracovanie signálov, štatistiku a komplexnú analýzu, sieťovú a medziprocesovú komunikáciu s ActiveX, DDE a internetovým TCP/IP. Užívateľské rozhranie tvorí panel obsahujúci ovládacie a indikačné prvky. Vlastný program je reprezentovaný grafickou blokovou schémou. Program nepracuje sekvenčne, výpočet je riadený tokom dát. Blok zaháji výpočet v okamžiku, kedy má dáta na všetkých vstupoch, po spracovaní posiela výsledky na všetky výstupy. Procesy jednotlivých blokov teda bežia (s ohľadom na hardvér a operačný systém) paralelne. [3] 3.2 Základné časti virtuálneho prístroja Virtuálny prístroj ako základná jednotka aplikácie vytvorenej vo vývojovom prostredí LabVIEW obsahuje: interaktívne grafické rozhranie ( GUI - Graphical User Interface ) ku koncovému užívateľovi tzv. čelný panel (Front Panel), ktorý simuluje čelný panel fyzického 16

prístroja. Obsahuje prvky pre ovládanie a indikáciu. Čelný panel ovláda užívateľ pomocou myši alebo klávesnice, činnosť virtuálneho prístroja je daná jeho blokovým diagramom (Block Diagram). Táto bloková schéma je vytvorená ikonami reprezentujúcimi v koncových blokoch ovládacie a indikačné prvky čelného panelu a vo svojich uzlových blokoch sú to bloky spracovávajúce prechádzajúce dáta. Blokový diagram je zdrojovou podobou každej aplikácie, virtuálny prístroj má hierarchickú a modulačnú štruktúru. Je možné ju používať ako celý program alebo jeho jednotlivé podprogramy, ktoré sa nazývajú podriadené virtuálne prístroje (Sub VI). Súčasťou každého virtuálneho prístroja je jeho ikona, ktorou je prezentovaný v blokovej schéme a konektor s prípojnými miestami pre vstupný a výstupný signál. Týmito charakteristickými rysmi napĺňa vývojové prostredie LabVIEW podmienky modulárneho programovania. Svoju aplikáciu delí užívateľ na jednotlivé úlohy, pre ktoré vytvára jednotlivé virtuálne prístroje (Sub - VI) a z nich potom buduje celú aplikáciu ich spojovaním do výsledného virtuálneho prístroja. Výslednú aplikáciu je možné preložiť do EXE tvaru, ktorý môžem prevádzkovať nezávisle na vývojovom prostredí s pomocou jeho Run Time modulu, ktorý je voľne distribuovateľný. [3] 3.2.1 Čelný panel Interaktívne grafické rozhranie (GUI - Graphical User Interface) plní úlohu predného panelu fyzického prístroja. Pre vytváranie predného panelu virtuálneho prístroja je k dispozícií samostatné okno. Príklad predného panelu virtuálneho prístroja je na obr. 3.1. Na čelnom paneli virtuálneho prístroja sa nachádzajú dva typy prvkov: ovládacie (controls) - simulujúce vstupné zariadenia. Slúžia na ovládanie virtuálneho prístroja a sprostredkúvajú vstupné informácie od užívateľa do aplikácie. V blokovom diagrame sú to bloky, v ktorých signál vystupuje do algoritmu, indikačné (indicators) - simulujúce výstupné zariadenia. Slúžia k indikácií stavu virtuálneho prístroja a výstupu výsledkov. Sprostredkúvajú predávanie informácií smerom od aplikácie k užívateľovi. V blokovom diagrame sú to bloky, v ktorých signálové cesty končia. 17

Obr. 3.1 Čelný panel virtuálneho prístroja Oba typy prvkov sa na čelný panel umiestňujú z knižnice, ktorá je súčasťou systému. Z knižnice môžem prvky vyberať pomocou ponuky obr. 3.2, ktorú môžem sprístupniť pomocou menu Windows / Show Controls Palette alebo kliknutím na pravé tlačidlo myši kdekoľvek v okne čelného panelu. Ponuka je hierarchicky členená. Ak je v pravom hornom rohu políčka šípka vpravo, pokračuje ponuka podrobnejším členením nižších úrovní. Okno ponuky je zobrazené buď dočasne počas výberu prvku, (vľavo hore v ponuke ikonka špendlíku) alebo trvalo po kliknutí na ikonku špendlíku. Obr. 3.2 Ponuka prvkov čelného panelu 18

Lišta nástrojov v okne ponuky, ktorá sa zobrazí pri prepnutí na trvalé zobrazenie ponuky, obsahuje tri možnosti: šípka hore pre postúpenie o úroveň vyššie, search (lupa) pre možnosť hľadania v zozname všetkých VI a prvkov čelného panelu uložených na disku. V rámci tejto možnosti zadáva užívateľ text, ktorý obsahuje alebo začína menom súboru s hľadaným prvkom, options (možnosti) výber z rôznych sad ponúk s možnosťou ich editácie. Po výbere prvku v ponuke pridržaním ľavého tlačidla myši, môžem vytiahnuť obrys vybraného prvku na čelný panel a umiestniť ho na požadované miesto. Po umiestnení prvku v okne čelného panelu môžem meniť jeho veľkosť, umiestnenie, farbu atď. Zmeny prvkov čelného panelu môžem robiť aj dodatočne. Každý prvok čelného panelu má naviac menu vyvolateľné kliknutím kurzoru myši na prvku pravým tlačidlom myši a v tomto menu môžem meniť iné vlastnosti prvku. [3] 3.2.2 Blokový diagram Blokový diagram je grafickým vyjadrením zdrojového kódu virtuálneho prístroja. Príklad blokového diagramu virtuálneho prístroja je na obr. 3.3. Vytvára sa prepojovaním jednotlivých blokov signálovými cestami. Obr. 3.3 Blokový diagram virtuálneho prístroja 19

Bloky sú tvorené koncovými blokmi (zdrojovými a cieľovými - source and sink terminals), ktoré sú na panel blokového diagramu umiestnené automaticky pri tvorbe čelného panelu a tiež uzlovými blokmi (nodes), ktoré reprezentujú bloky spracovania signálov. Bloky môžem vyberať z ponuky Functions, ktorú reprezentuje knižnica funkcií v okne blokového diagramu obr. 3.4. Ponuku s funkciami môžem vyvolať obdobným spôsobom ako ponuku prvkov čelného panelu a to buď cez menu Windows / Show Functions Palette alebo kliknutím na pravé tlačidlo myši v okne blokového diagramu. Obr. 3.4 Paletové menu funkcií a štruktúr blokového diagramu Pri prepínaní medzi oknom čelného panelu a oknom blokovej schémy, ak sú trvale zobrazené ponuky Controls alebo Functions, dochádza automaticky k ich prepínaniu podľa toho, ktoré okno je práve aktuálne. K rýchlemu prepínaniu medzi oknom čelného panelu a oknom blokového diagramu je dobré si zapamätať klávesy Ctrl E. Platí, že môžem mať k danému virtuálnemu prístroju otvorené obe okná (čelný panel aj blokový diagram), alebo len okno čelného panelu. Nemôžem mať otvorené iba okno blokového diagramu. Ak zatvorím okno blokového diagramu zatvorí sa iba toto okno a pri zatvorení okna čelného panelu sa zatvoria obe okná súčasne. Uzlové bloky sú v blokovom diagrame ekvivalentné príkazom, operátorom, funkciám a podprogramom klasických programovacích jazykov. Bloky sa prepájajú signálovými cestami (wires) a okrem tohto pripojenia existujú ešte programové štruktúry (structures), nahrádzajúce v grafickej podobe štandardné konštrukcie používané v programovacích jazykoch (podmienený príkaz, prepínač, cyklus...). LabVIEW má aj pripojenie na externé bloky textovo 20

orientovaného kódu a na textovo orientované výrazy. Signálovou cestou sa pripojujú zdrojové a cieľové koncové bloky. Nemôžem prepojiť vzájomne dva zdrojové koncové bloky, ale môžem spojiť jeden zdrojový koncový blok k niekoľkými cieľovými. Tvar a farba signálovej cesty definuje typ premennej, ktorá prechádza daným miestom. [3] 3.2.3 Riadenie behu aplikácie Beh aplikácie v LabVIEW je riadený tokom dát (data flow) a je charakterizovaný jediným pravidlom, a to, že uzlový blok štartujúci spracovanie dát, má k dispozícií platné dáta na všetkých svojich vstupoch a po spracovaní ich posiela ku všetkým svojim výstupom. Jednotlivé bloky môžu pracovať aj súčasne a tým sa tento spôsob výrazne líši od sekvenčného spôsobu spracovania dát v textovo orientovaných jazykoch, kde je beh aplikácie riadený postupnosťou príkazov. Použitie uvedeného pravidla umožňuje veľmi jednoduchú realizáciu paralelných vetví pri spracovaní aplikácie. [3] 3.2.4 Ikona a konektor Behom práce virtuálneho prístroja ako podriadeného volaného iným virtuálnym prístrojom je jeho práca analogická podprogramu. Svojimi zdrojovými koncovými blokmi prijíma dáta z volajúceho nadriadeného virtuálneho prístroja a svojimi cieľovými koncovými blokmi po spracovaní tomuto nadradenému virtuálnemu prístroju spracované dáta opäť vracia. V blokovom diagrame nadriadeného virtuálneho prístroja je podriadený virtuálny prístroj reprezentovaný ikonou, ktorej súčasťou je aj sada vstupných a výstupných prepojovacích miest tzv. konektorov. Konektor sa podobá zoznamu parametrov funkcie z klasických programovacích jazykov. Každé prípojné miesto môže korešpondovať s jedným ovládacím alebo indikačným prvkom z čelného panelu tohto virtuálneho prístroja. Ikonu a konektor môžem vidieť v pravom hornom rohu okna čelného panela a okna blokového diagramu obr. 3.5. [3] Obr. 3.5 Miesto pre ikonu a konektor virtuálneho prístroja 21

3.3 Práca vo vývojovom prostredí nasledujúcich bodoch: Stručný a rýchly popis práce vo vývojov prostredí LabVIEW som zhrnul v základom je Panel (Untitled 1) a Diagram (Untitled 1 Diagram), ostatné okna je možné zatvoriť, panel obsahuje textové a grafické menu, ikonu a pracovnú plochu pre ovládacie a indikačné prvky, diagram obsahuje to isté textové a grafické menu rozšírené o odlaďovacie funkcie, ikonu a pracovnú plochu pre blokovú schému, ponuka v paneli a v diagrame je ekvivalentná, je možné použiť obidve s tým istým výsledkom, kliknutím pravým tlačidlom myši na pracovnej ploche panelu sa objaví paleta Controls obsahujúca knižnice ovládacích a indikačných prvkov, ktoré je možné umiestniť na panel, po umiestnení prvku na panel sa automaticky vytvorí v blokovom diagrame blok odpovedajúceho dátového typu, doporučuje sa preto každý prvok hneď po vytvorení pomenovať, aby ho bolo možné v blokovom diagrame ľahko rozlíšiť, po kliknutí pravým tlačidlom myši na pracovnej ploche diagramu sa objaví paleta Functions obsahujúca knižnice blokov, každé okno má v ľavom hornom rohu ikonu špendlíka, po kliknutí na túto ikonu ostane okno trvale na obrazovke, po kliknutí pravým tlačidlom myši na ľubovoľný objekt, v diagrame alebo v panelovom okne, sa objaví menu umožňujúce meniť vlastnosti objektu, získať nápovedu k objektu a ďalšie, pri stlačení shift + pravé tlačidlo sa objaví paleta Tools, rozhodujúca o funkcii myši (Tab cyklicky prepína), medzerník (Spacebar) prepína medzi Operating a Positioning tool na paneli a medzi Positioning a Wiring tool v diagrame, posúvať objekty o bod je možné pomocou šípok, o viac bodov so shiftom, myšou pomocou Positioning tool (šípky), kopírovať objekty je možné myšou pomocou Positioning tool (šípky) s Ctrl, nápoveda: 22

a) b) základná nápoveda k LabVIEW, v menu Help Online Reference..., k informácii o objekte je možné pristúpiť tiež pomocou Online Help v pop-up menu objektu, v menu Help Show Help je naviac k dispozícii nápoveda k objektom, obsah okna sa mení v závislosti na objekte, s ktorým sa pracuje, automatickú aktualizáciu okna je možné pozastaviť voľbou Help Lock Help v menu alebo ikonou zámku priamo v okne nápovedy, je možné voliť medzi stručným a podrobným popisom, a to voľbou Help - Simple Help v menu alebo ikonou bloku v okne nápovedy, je možnosť vyvolať základnú nápovedu ikonou s otáznikom. [4] 23

4 NI ELVIS systém ELVIS systém obr. 4.1 pracuje na filozofii DAQ systémov, ktoré zberajú, merajú a analyzujú fyzické úkazy zo skutočného sveta. Svetlo, teplota, tlak, a krútiaci moment sú príklady rôznych typov signálov, ktoré DAQ systémy môžu merať. Získavanie informácií je proces zberania, merania elektrických signálov zo snímačov alebo predmetov a ich posielania na spracovanie do počítača. Stavebné prvky DAQ systému zahrňujú nasledujúce časti obr. 4.2: snímacie zariadenie, ktoré mení fyzické úkazy ako svetlo, teplotu, tlak alebo zvuk do merateľného elektrického signálu ako napätie alebo prúd, signál ako produkt DAQ systémového snímača, spracovanie signálu ako hardware, ktorý môžem pripojiť k DAQ hardvéru na úpravu signálov (napr. filtrovanie) vhodných pre meranie, zlepšenie presnosti alebo redukciu šumu, DAQ hardvér, ktorý získava, meria a analyzuje dáta, softvér, kde NI aplikačné programy sú navrhnuté k tomu, aby pomohli ľahko navrhnúť a programovať meranie a riadenie aplikácií. [5] 1. LabVIEW program 5. Konektor NI ELVIS dosky 2. DAQ hardvér 6. Napájací vypínač NI ELVIS dosky 3. 68-Pin E/M sériový kábel 7. NI ELVIS pracovná stanica 4. NI ELVIS prototypová doska Obr. 4.1 NI ELVIS systém 24

Obr. 4.2 Časti NI ELVIS systému 4.1 NI ELVIS hardware NI ELVIS hardvér obr. 4.3 môžeme rozdeliť na dve hlavné časti, a to na pracovnú stanicu a prototypovú dosku. 1. Pohotovostný vypínač pracovnej stanice 4. Nosný držiak prototypovej dosky 2. AC-DC konektor sieťového napájania 5. Kensington bezpečnostný otvor 3. 68-Pin DAQ konektor zariadenia Obr. 4.3 NI ELVIS hardvér 25

4.1.1 NI ELVIS pracovná stanica Pracovná stanica obr. 4.4 a DAQ hardvér spolu tvoria kompletný skúšobný systém. Kontrolný panel (control panel) na pracovnej stanici poskytuje ľahko obslužné ladenie pre funkčný generátor a variabilné napájania. Taktiež ponúka vhodné pripojenie vo forme BNC a banana konektorov na NI ELVIS osciloskop SFP a NI ELVIS - DMM SFP. NI ELVIS softvér smeruje signály v NI ELVIS pracovnej stanici medzi SFP zariadeniami. Pracovná stanica tiež obsahuje ochrannú dosku (protection board), ktorá chráni DAQ hardvér proti možnému poškodeniu, ktoré vyplýva zo skúšobných chýb. 1. Systémová LED 5. Funkčný generátor 2. Vypínač napájania dosky 6. DMM konektory 3. Komunikačný vypínač 7. Osciloskop konektory 4. Premenlivý napájací zdroj Obr. 4.4 Ovládací panel NI ELVIS pracovnej stanice Pracovná stanica má nasledovné riadiace prvky a indikátory: systémová LED - indikuje či NI ELVIS hardvér je zapnutý, vypínač napájania dosky - ovládanie napájania dosky, komunikačný vypínač - požiadavka zablokovania softvér kontroly nad NI ELVIS. Toto nastavenie poskytuje priamy prístup k DIO linkám DAQ hardvéru, ovládanie premenlivého napájacieho zdroja môžem ovládať variabilné napájanie cez riadiace prvky, a to buď pomocou pracovnej stanice (ručný režim) alebo riadiacim prvkom NI ELVIS variabilné napájanie SFP (softvérový spôsob). Môžem používať riadiace prvky premenlivého napájania v ručnom režime: - zdroj (-) riadenie 26

ručný spínač - ovládanie zdroja ručným alebo softvérovým režimom. napäťový otočný regulátor ovládač zdroja v rozpätí 12 až 0 V. - zdroj (+) riadenie ručný spínač - ovládanie zdroja ručným alebo softvérovým režimom. napäťový otočný regulátor - ovládač výstup. (+) zdroja v rozpätí 0 až 12 V. ovládanie funkčného generátora funkčný generátor môžem ovládať cez riadiace prvky a to buď pomocou pracovnej stanice (ručný režim) alebo riadiacim prvkom NI ELVIS - FGEN SFP (softvérový spôsob). Môžem používať nasledujúce riadiace prvky funkčného generátora v ručnom režime: - ručný spínač - ovládanie zdroja ručným alebo softvérovým režimom. - funkčný voliaci spínač - ponúka aký typ kriviek NI ELVIS môže generovať napr. sínus, obdĺžnik alebo triangel. - amplitúdový otáčací regulátor - nastavuje maximálnu amplitúdu generovaných kriviek. - otáčací regulátor hrubej frekvencie - nastavuje rozsah frekvencií funkčného generátora. - otáčací regulátor - nastavuje výstupnú frekvenciu funkčného generátora. DMM konektory DMM je umelo uzemnený. - prúdový banana konektor HI - kladný vstup k všetkým DMM meraniam, mimo merania napätia. LO - záporný vstup k všetkým DMM meraniam, mimo merania napätia. - napäťový banana konektor HI - kladný vstup k meraniam napätia. LO - záporný vstup k meraniam napätia. osciloskop konektory - CH A BNC konektor - vstup pre kanál A osciloskopu. - CH B BNC konektor - vstup pre kanál B osciloskopu. - spúšťací BNC konektor - vstup k spúšťaniu osciloskopu. [5] 27

4.1.2 NI ELVIS prototypová doska NI ELVIS prototypová doska obr. 4.5 je pripojená k pracovnej stanici štandardným PCI konektorom. Prototypová doska poskytuje oblasť pre vybudovanie elektronickej sústavy obvodov a ponúka potrebné pripojenia pre signály pre všeobecné aplikácie. Doska vyvádza všetky signálové vývody NI ELVIS k používateľovi cez distribučné pole po oboch stranách pokusnej doskovej oblasti. Každý signál má svoj rad poľa a rady sú triedené podľa funkcie. Prototypová doska zabezpečuje prístupy k ±15 V a +5 V zdrojom napätia. Popis signálov prototypovej dosky je uvedený v prílohe č. 1. 1. AI, osciloskop a programovateľné I/O signálové rady 2. DIO signálne rady 3. LED pole 4. D - SUB konektor 5. Počítadlo/časovač, používateľom konfigurované I/O a DC napájacie signálové rady 6. DMM, AO, funkčný generátor, používateľom konfigurované I/O, variabilné napájania, a DC napájacie signálové rady 7. LED 8. BNC konektory 9. Banana konektory Obr. 4.5 NI ELVIS prototypová doska 28

4.1.3 Princíp činnosti a technické parametre NI ELVIS hardvéru NI ELVIS hardvér zahŕňa množstvo technických a prevádzkových parametrov pre jednotlivé vstupné a výstupné terminály, ktoré sú popísané v literatúre [5]. Ako príklad som uviedol popis DMM. Princíp činnosti DMM DAQ hardvér je konfigurovaný pre diferenciálny merací spôsob pre všetky DMM merania. DMM meranie je vzťažné k NI ELVIS GROUND signálu. NI ELVIS softvér typicky nastavuje vstupné limity signálu, ale niektoré NI ELVIS SFP prístroje dovoľujú ručne zmeniť limity signálu. Ako príklad pre ďalší popis činnosti DMM som uviedol príklad, kedy DMM je vo funkcií voltmetra. DMM vo funkcií voltmetra Keď použijem DMM ako voltmeter, diferenciálne kanály AI 7 až AI 15 DAQ zariadenia sú použité pre čítanie napäťového signálu z NI ELVIS hardvéru. NI ELVIS priloží zisk 0,5 k napätiam, ktoré sú pripojené na VOLTAGE HI a VOLTAGE LO. Bloková schéma NI ELVIS voltmetra vstupné signály je na obr. 4.6 Obr. 4.6 Bloková schéma NI ELVIS voltmetra - vstupné signály 29

Vstup k obvodu NI ELVIS voltmetra môže pochádzať z NI ELVIS prototypovej dosky alebo z konektorov NI ELVIS pracovnej stanice riadiaceho panelu. Keď je prototypová doska vypnutá, oba vstupy zostanú v činnosti. Vstupy k voltmetru nie sú z vonka chránené NI ELVIS ochrannou doskou (protection board). Vstupy NI ELVIS prototypovej dosky a konektorov NI ELVIS pracovnej stanice riadiaceho panelu sú spojené na ochrannej doske a priamo odovzdané NI ELVIS matičnej doske (motherboard). Na NI ELVIS matičnej doske sú napätia HI a LO (vstupné terminály) oddelené 500 kω vstupným rezistorom. Ručné nastavenie môžem urobiť v bloku pre súhlasné potlačenie (Common - Mode Rejection Adjustment). Nastavené súhlasné potlačenie je typicky nad 80 db. Operačný zosilňovač používaný v NI ELVIS je úplne diferenciálny JFET so ziskom 0.5. Vstupná rýchlosť vzorkovania je typicky 11 V/ /µs. Táto vysoká rýchlosť vzorkovania pomáha minimalizovať AC skreslenie signálu. DAQ hardvér sníma merané napätie kanálov AI 7 až AI 15 a konvertuje hrubé napätia do napäťového čítača, kde sú zobrazené v NI ELVIS softvéri. [5] Technické parametre DMM Meranie odporu Presnosť 1 % Rozsah 5 Ω 3 MΩ, v štyroch rozsahoch Testovacia frekvencia 120 Hz, softvérový výber Testovacie napätie 1 V (p-p) sínusová vlna, softvérový výber Meranie napätia AC Presnosť Rozsah DC Presnosť Rozsah Vstupná impedancia 0,3 % ±0,001 % najvyššieho stupňa (od 100 Hz do 10 khz) ±14 V (RMS) v štyroch rozsahoch, max 0,3 % ±0,001 % najvyššieho stupňa, max ±20 V v štyroch rozsahoch, max 1 MΩ 30

4.2 NI ELVIS Softvér NI ELVIS softvér je vytvorený vo vývojovom prostredí LabVIEW. Softvér môžem rozdeliť do dvoch oblastí: SFP (soft front panel) prístroje programovanie NI ELVIS systému: - použitím NI DAQmx - použitím NI ELVIS LabVIEW API (aplikačné programovacie rozhranie) [5] 4.2.1 SFP prístroje SFP prístroje sú virtuálne prístroje (VI), ktoré sa používajú v typických laboratórnych aplikáciách a sú založené na programe LabVIEW. Virtuálne prístroje môžem prispôsobiť svojim požiadavkám modifikovaním LabVIEW kódu. Instrument Launcher (Prístrojový spúšťač) Instrument Launcher obr. 4.7 poskytuje prístup k NI ELVIS softvérovým prístrojom. Spustenie prístroja sa realizuje kliknutím na tlačidlo požadovaného prístroja. Obr. 4.7 Instrument Launcher 31

Ak NI ELVIS softvér je správne konfigurovaný a pracovná stanica je prepojená k vhodnému DAQ hardvéru, všetky tlačidlá musia byť k dispozícií. Ak je problém s nastavením napr. NI ELVIS pracovná stanica je neaktívna alebo odpojená od DAQ hardvéru, všetky prístrojové tlačidlá sú stlmené a jediná dosiahnuteľná voľba je kliknutie na konfiguračné tlačidlo (configure). Niektoré prístroje uskutočňujú podobné operácie používaním tých istých zdrojov NI ELVIS a DAQ hardvéru. Ak spustím dva prístroje s prekrývaním závislostí, ktoré nemôžu bežať súčasne, NI ELVIS softvér hlási chybový dialóg popisujúci spor. Prístroj s chybou je zablokovaný, pokiaľ chyba nie je nájdená a odstránená. Pretože som pri mojich meraniach nepoužíval všetky NI ELVIS softvérové prístroje, popísal som nepoužité prístroje len stručne. Úplný prehľad NI ELVIS softvérových prístrojov je v literatúre. Arbitrary Waveform Generator ARB (Generátor ľubovoľne tvarovaného priebehu) Tento SFP prístroj používa AO vlastnosti NI ELVIS hardvéru (DAC0 a DAC1). Môžem vytvoriť množstvo signálových typov použitím softvérového krivkového editoru, ktorý je súčasťou NI ELVIS softvéru. Vytvorené krivky NI editorom môžem ukladať do ARB SFP. Pretože typický DAQ hardvér má dva AO kanály, môžem generovať súčasne dve krivky. Môžem si vybrať trvalý alebo jednorazový výstup. Maximálne výstupné vlastnosti NI ELVIS - ARB SFP sú zaistené maximálnou rýchlosťou DAQ hardvéru pripojeného k NI ELVIS hardvéru. Bode Analyzer (Analyzátor frekvenčných charakteristík) Plná funkčnosť Bode Analyzeru obr. 4.8 je k dispozícii kombinovaním frekvenčného rozmetania funkčným generátorom a AI vlastnosťami DAQ hardvéru. Môžem nastaviť frekvenčný rozsah prístroja od 0 Hz do 35 khz a vybrať si medzi lineárnym a db zobrazením. Frekvenčný rozsah je dosť malý, preto sa tento nedostatok prejaví pri meraní frekvenčných charakteristík, ktorých frekvencia je vyššia ako 35 khz. Napäťový rozsah prístroja je od 0 V do 2,5 V. Je možné voliť počet krokov merania na dekádu. Namerané hodnoty merania môžem uložiť (Log) do textového súboru. Prístroj zobrazuje amplitúdovú a fázovú frekvenčnú charakteristiku. Piny na pripojenie prístroja ACH0+, ACH0-, ACH1+ a ACH1- sa nachádzajú na AI signálovej rade NI ELVIS 32

prototypovej dosky. Bode Analyzer využíva FGEN a preto musí byť výstupný pin funkčného generátora FUNC_OUT pripojený na vstupný pin ACH1+ alebo ACH1-. Na pin ACH0+ alebo ACH0- je pripojený signál meraného zapojenia. Obr. 4.8 Virtuálny prístroj Bode Analyzer Digital Bus Reader (Digitálny zbernicový čítač) Tento prístroj číta digitálne dáta z NI ELVIS digitálneho vstupu (DI) zbernice. Môžem čítať zo zbernice spojito alebo čítať jednotlivo. Digital Bus Writer (Digitálny zbernicový zapisovač) Prístroj obsluhuje NI ELVIS digitálny výstup (DO) zbernice. Môžem ručne tvoriť vzory alebo vybrať preddefinované možnosti sklonu, prepínania alebo zapisovania. Taktiež môžem zapisovať do zbernice spojito alebo samostatne. Výstupné napäťové hodnoty SFP sú TTL kompatibilné. Digital Multimeter DMM (Digitálny multimeter) Na virtuálnom prístroji DMM obr. 4.9 môžem uskutočniť meranie napätia (AC, DC), prúdu (AC, DC), odporu, kapacity, indukčnosti, testu diódy a akustickej spojitosti. 33

Obr. 4.9 Virtuálny prístroj Digital Multimeter DMM Rozsah prístroja môžem nastaviť pevne alebo automaticky (Auto), pri ktorom si prístroj nastaví vhodný rozsah sám. Pred každým meraním treba prístroj vynulovať (Null), aby sa predišlo zbytočným odchýlkam. Maximálne hodnoty, ktoré dokáže prístroj odmerať sú pre jednotlivé veličiny popísané v literatúre. Vstupy prístroja sú dostupné na kontrolnom paneli NI ELVIS pracovnej stanice, označené ako DMM alebo na pinoch DMM radu NI ELVIS prototypovej dosky. Vstupné piny voltmetra sú označené VOLTAGE HI a VOLTAGE LO. Ostané funkcie DMM sú k dispozícii cez piny CURRENT HI a CURRENT LO. Trojdrôtový pin 3-WIRE je použitý pre meranie súčiastok s troma vývodmi v spojení s CURRENT HI a CURRENT LO pinmi. Dynamic Signal Analyzer DSA (Analyzátor dynamických signálov) Prístroj je obzvlášť užitočný pri pokročilom meraní. Prístroj používa analógový vstup DAQ hardvéru na vytvorenie meraní. Môžem urobiť spojité merania alebo samostatné skenovania, a taktiež na signál aplikovať rôzne oknové a filtračné voľby. Function Generator FGEN (Funkčný generátor) Prístroj FGEN obr. 4.10 poskytuje pre zvolený typ signálu nastavenie výstupnej krivky (sínus, obdĺžnik alebo trojuholník), amplitúdy a frekvencie. Prístroj ďalej ponúka nastavenie DC offsetu, frekvenčného rozmetania, amplitúdovej a frekvenčnej modulácie. 34

Napäťový rozsah generátora je od 0 V do 2,5 V. Frekvenčné nastavenie je v piatich rozsahoch (maximálna frekvencia 500 KHz). Výstupný pin funkčného generátora je označený ako FUNC_OUT a nachádza sa na NI ELVIS prototypovej doske označenej ako rad Function Generator. Obr. 4.10 Virtuálny prístroj Function Generator FGEN Impedance Analyzer (Inpedančný analyzátor) Tento prístroj je schopný merať odpor a reaktanciu dvojdrôtovej pasívnej súčiastky pri danej frekvencii. Oscilloscope Scope (Osciloskop) Prístroj Oscilloscope obr. 4.11 poskytuje vlastnosti štandardného osciloskopu, ktorý nájdeme v typickom univerzitnom laboratóriu. NI ELVIS - Scope SFP má dva kanály (kanál A a kanál B) a poskytuje možnosti nastavenia škálovania, polohy a prispôsobenia časovej základne. Časovú základňu je možné meniť v rozsahu od 5 µs do 200 ms. Rozsah meraného napätia na oboch kanáloch je do ± 10 V. Napäťový rozsah je dosť malý. Preto sa tento nedostatok prejaví pri meraní vyšších napätí. Môžem zobrazovať obidva signály súčasne a vybrať zdroje a metódu merania. Automatické 35

nastavenie rozsahu dovoľuje nastaviť napäťové zobrazenie v mierke založenej na napätí špička špička AC signálu s úmyslom najlepšej ukážky signálu. Vstupy prístroja sú dostupné z pinov Osciloscope radu CH <A..B>+, CH <A..B> a TRIGGER na NI ELVIS prototypovej doske alebo z BNC konektorov na kontrolnom paneli NI ELVIS pracovnej stanice označených ako Scope. Rýchlosť vzorkovania osciloskopu je zaistená maximálnou rýchlosťou vzorkovania DAQ hardvéru inštalovaného do počítača napojeného na NI ELVIS hardvér. Obr. 4.11 Virtuálny prístroj Oscilloscope Scope Two and Three - Wire Current - Voltage Analyzers (Dvoj a troj - parametrový volt - ampérový analyzátor) Tieto prístroje umožňujú diódové a tranzistorové parametrické testovanie a dovoľujú merať prúdovo - napäťové krivky. Dvojdrôtový prístroj ponúka nastavenie parametrov napäťového a prúdového rozsahu. Namerané hodnoty môžem uložiť (pomocou tlačidla Log) do textového súboru. Naviac, trojdrôtový prístroj ponúka nastavenie bázového prúdu pre meranie NPN tranzistorov. Variable Power Supplies (Premenlivý napájací zdroj) Na prístroji Variable Power Supplies obr. 4.12 môžem ovládať výstupné kladné alebo záporné premenlivé napätie. Záporné výstupné napájanie môžem nastaviť v rozsahu 36

12 V až 0 V a kladné výstupné napájanie v rozsahu 0 V až +12 V. Piny na pripojenie prístroja SUPPLY+ a SUPPLY- sa nachádzajú v rade Variable Power Supplies na NI ELVIS prototypovej doske [5] Obr. 4.12 Virtuálny prístroj Variable Power Supplies 4.2.2 Programovanie NI ELVIS systému Programovanie NI ELVIS systému použitím NI - DAQmx Analógový vstup Na NI ELVIS meranie môžem použiť šesť diferenciálnych AI kanálov: ACH<0..5>. ACH3 a ACH4 sú použité pre osciloskop meranie na CH A i CH B. DAQ zariadenie musím konfigurovať pre AI módy pred vytvorením spojenia s NI ELVIS pracovnou stanicou. ACH<0..5> na NI ELVIS prototypovej doske sú priamo pripojené k príslušným AI kanálom na DAQ hardvér. ACH<0..5> môžem použiť ako normálne vstupné kanály pre existujúce DAQ príklady aplikácií, alebo ich môžem použiť pre programovanie vlastných virtuálnych prístrojov VI vo vývojovom prostredí LabVIEW. ACH5 je tiež používaný pre meranie na NI ELVIS softvérových prístrojoch ako osciloskop, DMM, DSA, impedančný analyzátor a dvoj a troj - parametrový volt - ampérový analyzátor. ACH5 môže byť nedostupný ak tieto softvérové prístroje sú aktívne. 37

Analógový výstup NI ELVIS umožňuje prístup k dvom analógovým výstupom DAQ hardvéru cez piny na NI ELVIS prototypovej doske. AO signály označené ako DAC0 a DAC1 sú pripojené k spojeniam rovnakého názvu na DAQ hardvér. Tieto môžem použiť ako normálne výstupné kanály pre existujúce DAQ príklady aplikácií, alebo ich môžem použiť pre programovanie vlastných virtuálnych prístrojov VI vo vývojov prostredí LabVIEW. Výstupné kanály sú tiež používané pre NI ELVIS SFP prístroje ako FGEN, DMM, impedančný analyzátor, dvoj a troj - parametrový volt - ampérový analyzátor. Výstupný kanál môže byť nedostupný ak tieto SFP prístroje sú aktívne. Medzi typickú AO aplikáciu môžem zahrnúť spojité generovanie kriviek. Časovanie a riadenie I/O NI ELVIS poskytuje prístup k dvom počítadlám/časovačom DAQ hardvéru. Tabuľka tab. 4.1 popisuje ako signál NI ELVIS počítadla koreluje s DAQ časovacím signálom. CTR0 a CTR1 môžem použiť ako normálne počítadlo/časovač pre existujúce DAQ príklady aplikácií alebo ich môžem použiť pre naprogramovanie vlastných virtuálnych prístrojov. Počítadlá/časovače sú tiež používané NI ELVIS - FGEN SFP. Počítadlá/časovače môžu byť nedostupné ak NI ELVIS - FGEN SFP je aktívny. Tab. 4.1 Signálová korelácia NI ELVIS DAQ hardware CTR<0..1>_SOURCE GPCTR<0..1>_SOURCE CTR<0..1>_GATE GPCTR<0..1>_GATE CTR<0..1>_OUT GPCTR<0..1>_OUT Programovanie NI ELVIS systému použitím NI ELVIS LabVIEW API Prístrojový driver je súbor softvérových programov, ktoré riadia programovateľný prístroj. Každý program odpovedá na programovú operáciu (konfigurácia, čítanie z, písanie do a spúšťanie prístroja). Prístrojový driver zjednodušuje prístrojové riadenie, vylučujúc potrebu učiť sa programovacie protokoly virtuálneho prístroja. NI ELVIS prístrojový driver je súbor LabVIEW VI, ktoré poskytujú API (aplikačné programovacie 38

rozhranie) pre ovládanie NI ELVIS hardvéru. API dovoľuje používateľovi spájať VI v logickom spôsobe pre riadenie hardvérovej funkčnosti NI ELVIS pracovnej stanice - premenlivý napájací zdroj, funkčný generátor, DMM a DIO sústava obvodov. Univerzálna programovacia postupnosť pri použití NI ELVIS prístrojového driveru je: inicializácia - akcia - koniec. Inicializačné VI vybuduje komunikáciu s NI ELVIS pracovnou stanicou a nakonfiguruje vybrané komponenty do definovaného stavu. Odkaz (refnum) k špecifickému komponentu je vytvorený a potom použitý ďalším VI pre vykonanie požadovanej akcie. Prístrojový driver spracováva súčasne využívané zdroje, ktoré nastávajú medzi komponentmi NI ELVIS. Napríklad DMM používa funkčný generátor pre svoje meranie. Bez riadenia zdrojov, ak použijem aplikáciu funkčný generátor, ktorý je aktívny keď DMM aplikácia beží, jedna alebo obidve aplikácie môžu vrátiť nesprávne výsledky. Na zabránenie tohto problému driver detekuje, že zdroj sa používa a vráti chybu. Riadenie zdrojov platí len vo vnútri jedného LabVIEW procesu. Preto, ak zhotovená aplikácia používa NI ELVIS prístrojový driver a je aktívna v rovnakom čase ako iné aplikácie požívajúce prístrojový driver, riadenie zdrojov nie je účinné cez procesy a môže nastať nesprávny stav. Pre zabezpečenie správnej činnosti programov, ktoré používajú NI ELVIS prístrojový driver, musím pred spustením aplikácie ukončiť SFP prístroje. Ako príklad jednoduchej aplikácie programovanej vo vývojovom prostredí LabVIEW s použitím NI ELVIS LabVIEW API som uviedol premenlivý napájací zdroj obr. 4.13. Obr. 4.13 Aplikácia premenlivého napájacieho zdroja NI ELVIS pracovná stanica má dve premenlivé napájania, ktoré môžem riadiť použitím NI ELVIS prístrojových driverov. Driver dovoľuje používateľovi adresovať, ktorý zdroj riadim a dovoľuje nastaviť jeho výstupné napätie. Riadenie zdroja je vybrané v priebehu 39

inicializácie a potom aktualizované spojito v slučke. Keď slučka skončí, zdrojový odkaz je zatvorený a výstup je nastavený na nule. DAQ číslo hardvéru je poskytnuté na zaistenie prepojenia DAQ hardvéru a NI ELVIS pracovnej stanice. [5] 4.3 DAQ hardware Pre správnu a úplnú činnosť virtuálneho prístroja je nutné doplniť otvorenú architektúru personálneho počítača hardwarom, ktorý umožní virtuálnemu prístroju plniť funkciu meracieho prístroja. V oblasti hardvéru je to zásuvná multifunkčná karta (DAQ hardvér) vybavená konektorom pre zasunutie karty do základnej dosky personálneho počítača (ISA, EISA, PCI). Meracia karta má viacero vstupov a výstupov, na ktoré je možné pripojiť signály rôzneho charakteru. DAQ hardvér získava elektrický signál od prevodníka alebo senzora, ktorý premieňa fyzický fenomén na elektrický a môže taktiež súčasne produkovať elektrický signál. DAQ hardvér má štyri štandardné elementy: analógový vstup (AI) analógový výstup (AO) digitálny I/O (DIO) počítadlo/časovač Meracie karty sú obmedzené v niektorých parametroch ako dosiahnuteľná vzorkovacia frekvencia, pri súčasnom snímaní hodnôt z viacerých kanálov alebo vo veľkosti maximálnych napätí a prúdov. Tieto obmedzenia meraní sú u zásuvných multifunkčných kariet dané predovšetkým použitou architektúrou A/D prevodníka, šírkou a časovaním zbernice medzi kartou a počítačom a samotným vyhotovením karty. Pri výbere vhodnej karty musím brať do úvahy parametre meraní, ktoré chcem na danej karte realizovať. [5] 4.3.1 DAQ hardware v NI ELVIS systéme NI ELVIS systém je navrhnutý na spoločnú činnosť s NI DAQ hardvérom, ktorý je výkonný, A/D multifunkčný a I/O časovací pre PCI zbernicové počítače. Systém podporuje funkcie DAQ hardvéru, ktoré zahŕňajú AI, AO, DIO a TIO. Na používanie NI ELVIS systému musím mať DAQ hardvér inštalovaný v počítači a pripojený k NI ELVIS hardvéru s nasledovnými minimálnymi požiadavkami: 16 AI kanálov, minimálna rýchlosť vzorkovania 200 ks/s 40

dva AO kanály osem DIO liniek dve počítadlá/časovače V NI ELVIS systéme pre meranie charakteristík OZ som použil DAQ hardvér typu NI 6221 série M. [5] 4.3.2 DAQ hardvér NI PCI 6221 Pri meraní charakteristík OZ som sa zaoberal analógovou časťou DAQ hardvéru. Celková špecifikácia DAQ hardvéru NI PCI 6221 je popísaná v literatúre [6]. Popis pinov meracej karty a analógová špecifikácia DAQ hardvéru NI PCI 6221 je v prílohe č. 2. 4.4 Prepojenie signálov medzi NI ELVIS systémom a DAQ hardvérom Pretože analógové kanály sú diferenciálne, musím vytvoriť zemný bod (ground) niekde v signálovej ceste. Pokiaľ meranie je vzťažné k NI ELVIS GROUND pinom, meranie je správne. Vývody NI ELVIS GROUND signálu sú umiestnené na viacerých miestach NI ELVIS prototypovej dosky a sú navzájom prepojené. Pri meraní charakteristík OZ som sa zaoberal analógovou časťou prepojenia. Celkové prepojenie signálov medzi NI ELVIS a DAQ hardvérom popisuje literatúra [5]. Analógové prepojenie vstupných signálov NI ELVIS prototypová doska má šesť diferenciálnych AI kanálov ACH<0..5>. Tieto vstupy sú priamo pripojené k vstupným kanálom DAQ hardvéru. NI ELVIS tiež má dva zemné piny, AISENSE a AIGND, ktoré sú pripojené k DAQ hardvéru. Analógové prepojenie vstupných signálov je v tab. 4.2. Niektoré AI kanály sú používané vnútornou sústavou obvodov pre ďalšie prístroje, ale väčšinu času kanál môže byť stále používaný. ACH<0..2> môže byť použitý bez prerušenia. Ak použijem DMM ako merač kapacity alebo na iné meranie, ACH5 je prerušený. Ak používam osciloskop, musím rozpojiť spojenia na ACH3 a ACH4 na vyvarovanie sa dvojitého snímania kanálu. Vstupy osciloskopu sú dostupné na NI ELVIS prototypovej doske ako terminály CH <A..B>+, 41

CH <A..B> a TRIGGER. CH <A..B> sú priamo pripojené k ACH3 a ACH4, každý zvlášť na DAQ hardvér. Tab. 4.2 Analógové prepojenie vstupných signálov NI ELVIS - vstupný kanál DAQ hardvér - vstupný kanál ACH0+ AI 0 ACH0- AI 8 ACH1+ AI 1 ACH1- AI 9 ACH2+ AI 2 ACH2- AI 10 ACH3+ AI 3 ACH3- AI 11 ACH4+ AI 4 ACH4- AI 12 ACH5+ AI 5 ACH5- AI 13 AISENSE AIGND AISENSE AIGND Analógové prepojenie výstupných signálov NI ELVIS poskytuje prístup k dvom DAC výstupom DAQ hardvéru na termináloch DAC0 a DAC1. Kanály sú používané NI ELVIS hardvérom pre generovanie ľubovoľných tvarov kriviek. Ostatné funkcie NI ELVIS hardvéru ako DMM a FGEN, vnútorne používajú DAC0 a DAC1 terminály. Tieto funkcie môžu vzájomne rušiť meranie. Riadiaci softvér generuje chybové hlásenia, keď vznikne potenciálny zdroj konfliktu. Prístup k funkčnému generátoru na NI ELVIS prototypovej doske je dostupný aj z niekoľkých ďalších terminálov mimo výstupného terminálu funkčného generátora FUNC_OUT. Patrí medzi ne SYNC_OUT výstupný signál a TTL - kompatibilný hodinový signál. [5] 42

5 Meranie charakteristík operačných zosilňovačov v programe LabVIEW 5.1 Napäťový offset OZ 5.1.1 Teoretický rozbor Zapojím si operačný zosilňovač, na vstup privediem napätie 0 V. Predpokladám, že na výstupe operačného zosilňovača bude taktiež 0 V. V skutočnosti tam je nejaké rušivé výstupné napätie. Spätne môžem nájsť príčinu tejto chyby v mnohých nesúmernostiach v operačnom zosilňovači, tvorené vnútornými tranzistormi a rezistormi. Príčinou je teda návrh obvodu, ktorý má celkovú chybu sprevádzanú ako ofsetové napätie U IO. Vstupné ofsetové napätie môže byť v rozsahu mikrovoltov (µv) až milivoltov (mv) a môže mať kladnú alebo zápornú polaritu. Ako bude U IO ovplyvňovať náš obvod, to záleží na samotnom OZ a mojom obvodovom návrhu. [7] 5.1.2 Meranie napäťového offsetu OZ Pre meranie ofsetového napätia U IO som navrhol neinvertujúce zapojenie operačného zosilňovača obr. 5.1, pri ktorom môžem jednoduchšie analyzovať U IO v sérií s kladným vstupom (neinvertujúci vstup). Je to z toho dôvodu, že výsledný obvod ktorý má na neinvertujúci vstup privedené U IO sa javí práve ako neinvertujúci zosilňovač. Analýza takéhoto obvodu je jednoduchšia. Pre meranie som použil operačný zosilňovač LM 741 CN so symetrickým napájaním. Pre overenie U IO som uskutočnil dve merania. Obr. 5.1 Zapojenie OZ pre meranie napäťového offsetu 43

Prvé meranie: Pretože merané U IO som porovnával s katalógovými hodnotami pri splnení konkrétnych parametrov, hodnoty rezistorov R S = 100 Ω a R L = 20 kω som navrhol v rozsahoch uvádzaných výrobcom. Hodnoty rezistorov som zvolil: R 1 = 100 Ω, R 2 = 100 kω. Navrhnutý obvod som osadil a zapojil na NI ELVIS prototypovej doske. Napájacie napätie OZ je symetrické U CC = ±15V a je na OZ privedené z pinov ± 15V radu DC Power Supplies prototypovej dosky. Pre meranie U out zapojenia som použil virtuálny prístroj Digital Multimeter (DMM) NI ELVIS softwaru, ktorého piny VOLTAGE HI a VOLTAGE LO sú vyvedené na rade DMM prototypovej dosky. K meranému zapojeniu som priviedol zem (ground) a uzemnil všetky požadované vývody. Piny zeme GROUND sú vyvedené na NI ELVIS prototypovej doske. Virtuálny prístroj som pred spustením merania nuloval (Null). Po spustení merania som nameral na DMM obr. 5.2 výstupné napätie U out = 0,629. Obr. 5.2 Virtuálny prístroj DMM: U out = 0,629 V Výpočet napäťového ofsetu: Pri výpočte napäťového ofsetu som vychádzal z neinvertujúceho zapojenia OZ, kde po odvodení U IO platí: U IO U = OUT R 1 ( R1 + R2) Po dosadení hodnôt: UOUT R1 0,629V 100Ω UIO = = = 0, 628mV ( R1 + R2) ( 100Ω + 100kΩ) U IO = 0,628 mv (6) 44

Druhé meranie: Pretože druhé meranie U IO som taktiež porovnával s katalógovými hodnotami pri splnení konkrétnych parametrov, hodnoty rezistorov R S = 1 kω a R L = 20 kω som navrhol v rozsahoch uvádzaných výrobcom. Hodnoty rezistorov som zvolil: R 1 = 1 kω, R 2 = 100 kω. Navrhnutý obvod som osadil, zapojil a na meranie U out použil virtuálne prístroje ako pri prvom meraní. Po spustení merania som nameral na DMM obr. 5.3 výstupné napätie U out = 69,479 mv. Obr. 5.3 Virtuálny prístroj DMM: U out = 69,479 mv Výpočet napäťového ofsetu: Pri výpočte napäťového ofsetu som vychádzal z neinvertujúceho zapojenia OZ, kde po odvodení U IO platí (6): Po dosadení hodnôt: UOUT R1 69,479mV 1kΩ UIO = = = 0, 689mV ( R1 + R2) ( 1kΩ + 100kΩ) U IO = 0,689 mv Vyhodnotenie merania U IO Namerané hodnoty U IO = 0,628 mv a U IO = 0,689 mv operačného zosilňovača LM 741 CN som porovnal s katalógovými hodnotami výrobcu pri T A = 25 C, U CC = ±15V a R S 10 kω, kde typická hodnota U IO = 2 mv a maximálna hodnota U IO = 6 mv. Z nameraných hodnôt vyplýva, že operačný zosilňovač LM 741 CN spĺňa katalógové hodnoty a so zväčšujúcim sa zosilnením signálu v obvode, zosilňovač bude zvyšovať chybu U IO spolu zo zosilnením signálu. [8] 45

5.2 Napäťová symetria OZ 5.2.1 Teoretický rozbor Neinvertujúce zapojenie operačného zosilňovača obr. 5.4 je súmerné z hľadiska vstupu i výstupu. Môže pracovať s kladným i záporným signálom, ktorý môže byť jednosmerný alebo striedavý. Neinvertujúce zapojenie zachováva fázu vstupného napätia operačného zosilňovača t.j. výstupné napätie oproti vstupnému napätiu nie je fázovo posunuté. Výstupné napätie má rovnakú polaritu ako vstupné napätie. Obr. 5.4 Neinvertujúce zapojenie OZ Vstupné napätie U I vedieme na neinvertujúci vstup operačného zosilňovača. Preto platí: + U = U in (7) Do invertujúceho vstupu je zavedená časť výstupného napätia U in cez rezistorový delič R 1, R 2. Je to záporná spätná väzba, výstupné napätie pôsobí proti vstupnému. Vlastnosti v prípade použitia ideálneho OZ určujú rezistory R 1 a R 2 a platí: A U R + R out 1 2 N = = (8) U in R1 Invertujúce zapojenie operačného zosilňovača obr. 5.5 je súmerné z hľadiska vstupu i výstupu. Môže pracovať s kladným i záporným signálom, ktorý môže byť jednosmerný alebo striedavý. Invertujúce zapojenie mení fázu signálu t.j. výstupné napätie je oproti vstupnému napätiu fázovo posunuté o 180. Výstupné napätie má opačnú polaritu ako vstupné napätie. 46

Obr. 5.5 Invertujúce zapojenie OZ Vstupné napätie U in vedieme cez rezistor R 1 na invertujúci vstup operačného zosilňovača. Neinvertujúci vstup operačného zosilňovača je pripojený na zemnú svorku. Úbytok napätia na rezistore R 1 rovný priamo napätiu U in. Záporná spätná väzba je zavedená cez rezistor R 2. Vlastnosti v prípade použitia ideálneho OZ určujú rezistory R 1 a R 2 a platí: A IN U R out 2 = = (9) U in Ak nie je R g <<R 1, potom platí: A IN R2 = R + R 1 g R 1 R 3 pomáha vyrovnávať nesymetriu vstupov OZ a volí sa: R R R 1 2 3 = (11) R1 + R2 Ak R 2 >>R 1, potom platí: R 3 = R 1 (12) Pre určité vstupné napätia prestáva zosilňovač zosilňovať, pretože výstupné napätie U out nemôže nikdy presiahnuť hodnoty napájacieho napätia U CC (+U CC, -U CC ) operačného zosilňovača. Hovoríme, že výstupné tranzistory OZ sú v saturácií. Preto je maximálne výstupné napätie určené napätím U CC, ktoré musím zmenšiť o 1 V až 3 V, teda o úbytok napätí na tranzistoroch v zopnutom stave. Toto maximálne výstupné napätie sa nazýva rozkmit výstupného napätia U omax a je vždy definovaný výrobcom pri danom napájacom napätí U CC a odporovom zaťažení R L. Prevodová charakteristika OZ vyjadruje závislosť výstupného napätia U out na vstupnom napätí U in. Charakteristické pre OZ je, ako vidno z prevodovej charakteristiky neinverujúceho zapojenia OZ obr. 5.6, že existujú tri (10) 47

pracovné oblasti. Dve oblasti sú oblasti nasýtenia (saturácie) a tretia je oblasť lineárnej činnosti OZ. Pri reálnych OZ však musíme priviesť na vstupy zosilňovača napätie U in, aby výstupné napätie U out bolo nulové. Toto napätie nazývame vstupná napäťová nesymetria (U IO, offset). Niektoré vyrábané OZ majú špeciálne vývody, na ktoré môžem pripojiť potenciometer a tým nastaviť napäťovú nesymetriu na 0 mv. [1] Obr. 5.6 Prevodová charakteristika inverujúceho zapojenia OZ 5.2.2 Meranie napäťovej symetrie OZ Neinvertujúce zapojenie OZ Pre meranie napäťovej symetrie som navrhol neinvertujúce zapojenie operačného zosilňovača obr. 5.4. Použil som operačný zosilňovač LM 741 CN so symetrickým napájaním U CC = ±15V. Hodnoty rezistorov som zvolil R 1 = 10 kω, R 2 = 20 kω, R L = 20 kω. Navrhnutý obvod som osadil a zapojil na prototypovej doske NI ELVIS hardwaru. Ako zdroj vstupného napätia U in som použil virtuálny prístroj Variable Power Supplies (Premenlivý napájací zdroj) NI ELVIS softwaru, ktorého piny SUPPLY+ a SUPPLY- sú vyvedené na rade Variable Power Supplies prototypovej dosky. Hodnoty napätí na virtuálnom prístroji Variable Power Supplies obr. 5.7 som menil v rozsahu, pri ktorom som zachytil tri pracovné oblasti prevodovej charakteristiky. Pre meranie U in a U out som použil virtuálny prístroj Digital Multimeter (DMM) NI ELVIS softwaru, ktorého piny VOLTAGE HI a VOLTAGE LO sú vyvedené na rade DMM prototypovej dosky. Virtuálny prístroj DMM som pred spustením merania nuloval (Null). K meranému zapojeniu som priviedol zem a uzemnil všetky požadované vývody. Piny zeme GROUND 48

sú vyvedené na NI ELVIS prototypovej doske. Hodnoty nameraných napätí U out, U in na DMM, tabuľky nameraných hodnôt U out, U in a prevodová charakteristika sú v prílohe č. 3. Obr. 5.7 Nastavenie napätia na virtuálnom prístroji Variable Power Supplies Invertujúce zapojenie OZ Pre meranie napäťovej symetrie som navrhol invertujúce zapojenie OZ obr. 4.5. Použil som operačný zosilňovač LM 741 CN so symetrickým napájaním U CC = ±15V. Hodnoty rezistorov som zvolil R 1 = 10 kω, R 2 = 20 kω, R 3 = 10 kω, R L = 20 kω. Navrhnutý obvod som osadil, zapojil a na meranie použil virtuálne prístroje ako pri meraní na neinvertujúcom zapojení OZ. Hodnoty nameraných napätí U out, U in na DMM, tabuľky nameraných hodnôt U out, U in a prevodová charakteristika sú v prílohe č. 3. Vyhodnotenie merania napäťovej symetrie OZ Z nameraných hodnôt U out a U in vyplýva, že obe zapojenia OZ zosilňovali napäťovo symetricky kladné i záporné vstupné napätia U in až po maximálne výstupné napätia, definované ako rozkmit výstupného napätia U omax. Typická hodnota U omax definovaná výrobcom pri napájacom napätí U CC = ± 15V a odporovom zaťažení R L 10 kω je U omax = ± 14V. Namerané maximálne hodnoty výstupného napätia U out pre obe zapojenia OZ spĺňajú katalógové hodnoty len pre zápornú časť U omax = -14V. Pre kladnú časť U omax = +14V boli maximálne hodnoty výstupného napätia U out pre obe zapojenia OZ prekročené približne o 0,65V, čo je spôsobené nesymetrickým napájaním OZ. Skutočné hodnoty U CC, namerané na virtuálnom prístroji DMM NI ELVIS softwaru som 49

uviedol v prílohe č.3. Po zohľadnení všetkých faktorov, ktoré vplývali na meranie (napäťový offset U IO, nesymetrické napájanie U CC operačného zosilňovača, nepresnosťou virtuálnych prístrojov NI ELVIS softvéru atď.) môžem konštatovať, že operačný zosilňovač LM 741 CN spĺňa katalógové hodnoty, pričom bola splnená základná podmienka, že výstupné napätia U out neprekročili hodnoty napájacieho napätia U CC. [8] 5.3 Zosilnenie operačného zosilňovača 5.3.1 Teoretický rozbor Bežné operačné zosilňovače majú zosilnenie A u = 20 000 až 2 000 000. Znamená to, že pre výstupné napätie U out = 10 V je medzi kladným a záporným vstupom napätie U d = 10 / (20 000 až 2 000 000) = 5µV až 500µV. V praxi to znamená, že rozdielové napätie U d považujeme za nulové pre akékoľvek výstupné napätie U out. Zosilnenie samotného OZ je možné merať podľa schémy na obr. 5.8. Hodnota U I je v uvedenom zapojení sto násobkom napätia U I a pre zosilnenie samotného OZ platí: [9] U out U A OL = = 100 (13) U U I out * I Obr. 5.8 Schéma zapojenia pre meranie zosilnenia OZ 5.3.2 Meranie zosilnenia operačného zosilňovača Pre meranie zosilnenia operačného zosilňovača som navrhol zapojenie obr. 5.8. Pre meranie som použil operačný zosilňovač LM 741 CN. Pretože merané zosilnenia operačného zosilňovača som porovnával s katalógovými hodnotami pri splnení konkrétnych parametrov, hodnotu rezistora R 5 = 3 kω som navrhol v rozsahu uvádzanom výrobcom. Hodnoty rezistorov som zvolil R 1 = 100 kω, R 2 = 100 kω, R 3 = 99,2 kω (91 50

kω + 8,2 kω), R 4 = 1 kω. Navrhnutý obvod som osadil a zapojil na NI ELVIS prototypovej doske. Napájacie napätie OZ je symetrické U CC = ±15V a je na OZ privedené z pinov ± 15V radu DC Power Supplies prototypovej dosky. Ako zdroj vstupného napätia U in som použil virtuálny prístroj Variable Power Supplies NI ELVIS softwaru, ktorého piny SUPPLY+ a SUPPLY- sú vyvedené na rade Variable Power Supplies prototypovej dosky. Pre meranie U out, U I a U I som použil virtuálny prístroj Digital Multimeter (DMM) NI ELVIS softwaru, ktorého piny VOLTAGE HI a VOLTAGE LO sú vyvedené na rade DMM prototypovej dosky. K meranému zapojeniu som priviedol zem (ground) a uzemnil všetky požadované vývody. Piny zeme GROUND sú vyvedené na NI ELVIS prototypovej doske. Virtuálny prístroj DMM som pred spustením merania nuloval (Null). Hodnotu napätia U in na virtuálnom prístroji Variable Power Supplies som nastavil tak, aby napätie U out = -10 V obr. 5.9. Obr. 5.9 Virtuálny prístroj DMM: U out = -10,062 V Obr. 5.10 Virtuálny prístroj DMM: U I = 0,064 V 51

Bolo to preto, aby som merané zosilnenie OZ mohol porovnať s katalógovými hodnotami pri splnení konkrétnych parametrov. Po spustení merania som nameral na virtuálnom prístroji DMM napätia U I = 0,064 V obr. 5.10 a U I = 0,638 mv obr. 5.11. Obr. 5.11 Virtuálny prístroj DMM: U I = 0,638 mv Výpočet zosilnenia OZ: Pre napäťový delič (odpory R 3 a R 4 ) platí: Po dosadení hodnôt: U U * I R3 + R4 = (14) I R 4 U U * I I R3 + R = R Uout U A OL = = 102 U U A A OL OL I U = U out I 4 4 99,2kΩ + 1kΩ = = 102 1kΩ out * I 10,062V = 0,638mV = 15771,16 Uout 10,062V = 102 = 102 = 16036,313 * U 0,064V I Vyhodnotenie merania zosilnenia operačného zosilňovača Namerané hodnoty A OL = 15771,16 a A OL = 16036,313 operačného zosilňovača LM 741 CN som porovnal s katalógovými hodnotami výrobcu pri U CC = ±15V, R L 2 kω a U out = ±10V, kde manimálna hodnota A OL = 15000. Z nameraných hodnôt vyplýva, že operačný zosilňovač LM 741 CN spĺňa minimálne hodnoty A OL. [8] 52