Tämmöistä on kyselty niin voitaisi alkaa miettimään hyviä päiviä ja ehkä hieman sisältöäkin.
Kun suurin osa jutuista tehdään tänä päivänä ohjelmallisesti niin analogisen elektroniikan rooli lienee pitkälti signaalien sovittaminen ulkomaailmasta digitaalisiin systeemeihin ja takaisin. Toki muutakin tehdään mutta tuo voisi olla yksi pääteema.
Sisällöstä sen verran, että vähän kerrattaisi perusjuttuja ja sen jälkeen alettaisi käymään läpi operaatiovahvistimien sielunelämää. Labrojen kera tietenkin.
Tuohon mukaan sopivissa väleissä jonkin verran epätieteellistä signaalien analyysia yms niin alkuvuosi alkaisi olemaan katettu.
Kiinnostuneet kommentoikaa sisältöä ja sopivia kurssipäiviä. Maanantait ja keskiviikot tulevat näillä näkymin kyseeseen poislukien yksittäiset päivät kuten SATSin rakettikurssi jne.
Kurssin aloitus voi olla koska tahansa 3.5. jälkeen porukan aikataulujen mukaan.
Keskiviikko huudettu. Minulle keskiviikot on OK - onko eriäviä mielipiteitä?
Ensimmäinen vapaa keskiviikko olisi 4.5. jo ensi viikolla. Tuleeko liian nopeasti vai mennäänkö sillä? Minulle käy kyllä.
Kauniit kesäkeskiviikkoillat on myyty minun osalta toiselle harrastukselle, mutta maanantaisin on taasen harvakseltaan SATSin kerhoiltoja. Silti vaimea ääni maanantaiden puolesta.
Aloitetaan siis tutustumalla operaatiovahvistimen olemukseen ja käydään sitä aihetta läpi, jonkin verran teoriassa mutta mahdollisuuksien mukaan käytännössä labraamalla oikeita kytkentöjä.
4.5. Operaatiovahvistin ja perusvahvistinkytkennät
Tämän istunnon ohjelmassa oli parin perusjutun kertauksen jälkeen ideaalisen operaatiovahvistimen perusominaisuuksien esittely ja niiden varaan toteutettuna kääntävä ja ei-kääntävä perusvahvistinkytkentä.
Käytännön harjoituksena toteutettiin kytkennät leipälaudalle soveltaen LM324 vahvistinnelikkoa ±15V apujännittein. Todettiin kytkentöjen toiminta laskentakaavojen mukaiseksi ja tarkasteltiin lyhyesti käytetyn piirin epäideaalisuuksia ilman tarkempaa numeerista analyysia.
Käytiin läpi miten takaisinkytkennän puute tai positiivinen takaisinkytkentä vaikuttaa operaatiovahvistimen toimintaan.
Käytiin läpi ei-kääntävä ja kääntävä komparaatorikytkentä ja hystereesin aikaansaaminen jälkimmäiseen kytkentään.
Luento 3: Analogiset laskentafunktiot ja instrumentointivahvistin
Käytiin läpi analogilaskennan perusvahvistinkytkennät; summaus- ja erovahvistin, vakiolla kertominen ja jakaminen; derivointi ja integrointi. Analysoitiin piirien toimintaa ja määriteltiin kytkentöjen lähtöjännite tulojännitteiden funktiona.
Vastaavasti esiteltiin ja analysoitiin kolmen oparin instrumentointivahvistinkytkentä ja käytiin läpi sen ominaisuudet - erityisesti että se ei vahvista yhteismuotoista jännitetä lainkaan vaan ainoastaan tulojännitteiden erotusta. Myös todetiin, että instrumentointivahvistimen tuloimpedanssi on hyvin korkea ja sama molemmille tulonavoille, mikä ei välttämättä pidä paikkaansa perus-erovahvistimen tapauksessa.
Materiaali löytyy täältä: Laskentaoperaatiot Instrumentointivahvistin
Tällä kerralla paneuduttiin käytännön harjoituksiin. Leipälautailtiin kasaan pari erilaista värähtelypiiriä. Ensimmäinen eli kaksoisintegraattori on aito oskillaattori, mutta toinen, integraattorin ja komparaattorin yhdistelmä pitänee lukea multivibraattoreihin.
Kytkentöjä tutkittaessa tehtiin mielenkiintoisia havaintoja, mm että integraattorin toteuttaminen keraamista kondensaattoria käyttäen tuotti hyvinkin vääristyneitä aaltomuotoja. Kaksoisintegraatorin kun pitäisi tuottaa kohtuullisen kaunista kvadratuuri-siniaaltoa. Näin sitten tapahtuikin kun konkat korvattiin laadukkailla muovikalvokonkilla joiden eristeen dielektrisyysvakio ei muuttele konkan jänniterasituksen funktiona.
Komparaattorikytkennästä kehitettiin vielä yksinkertainen PWM-modulaattori ja nopeimmat ehtivät toteuttaa PWM-moduloinnin yksinkertaistettuna RC-kytkentänäkin, joka tosin on epälineaarinen ja siten dynamiikaltaan vähän niin ja näin.
Tutustuttiin haastavuudeltaan keskitasoa olevaan käytännön kytkentän, eli legendaarisen analogisuunnittelija Robert “Bob” Peasen taajuus-jännitemuuntimeen.
Peasen alkuperäinen kytkentäkaavio
Tarkoitus oli rakentaa kytkentä leipälaudalle, mutta tällä kertaa ei löydetty hyllystä kaikkia tarvittavia komponentteja ja piirikaaviokin oli aika mutkikas äkkiä kokoonkyhättäväksi, niin tyydyttiin analysoimaan piirin toiminnallisia osia ja niiden yksityiskohtia.
Tälle kerralle kurssin vetäjä eli allekirjoittanut eli Kremmen oli tehnyt valmiiksi protopiirilevyt joihin oli myös hommattu tarvittavat komponentit. Yksi levyistä oli koottu valmiiksi ja toimi mallikappaleena. Kurssilaiset kolvasivat kaksi muuta levyä kasaan ja niiden toimintaa testailtiin.
Kytkennän piirikaavio löytyy täältä.
Itse kytkentä oli aikaisemmin simuloitu ja havaittu simulaatiossa toimivaksi. Yksi protolevyistä lähti heti toimimaan ja tuotti varsin tarkkaan saman lopputuloksen kuin simulaatiokin. Kahdessa muussa levyssä oli eri asteisia protoilmiöitä joista ainakin osa selittyi piirilevyn valotuksessa ja syövytyksessä syntyneistä virheistä. Levyjä kun ei ollut ennakkotarkastettu mitenkään. Myös havaittiin yhden komponentin jääneen asentamatta toiselle levylle, mikä saattoi vaikuttaa lopputulokseen.
Selvitetään juurisyyt kahden kortin toimimattomuuteen ja opitaan niistä jotain vastaisen varalle.
Muok:
Pikaisessa “laaduntarkastuksessa” löytyi seuraavaa:
Piirilevy 1:
Juottamattomia liitoksia (johtuen siitä, että piirilevy ei ole läpikuparoitu, on levyn yläpinnan ne täpä joista lähtee kiskoja, juotettava erikseen alapuolen lisäksi:
Piirilevyltä puuttui 1 komponentti:
Piirilevyllä kisko syöpynyt poikki:
Piirilevy 2: (mallikappale):
Levyllä valotuksessa filmille syntynyt roskan aiheuttama oikosulku:
Protolevyt laitettiin näkyvien vikojen osalta kuntoon ja kaksi niistä lähti toimimaan oikein. Kolmannesta on ilmeisesti opari keitetty kolvilla huonoon kuntoon eikä se lähtenyt suosiolla toimimaan.
Toimivista kytkennöistä tehtiin karakterisointikäyrät ja ne näyttävät tältä. Käyrien kulmakertoimissa on komponenttiarvojen toleransseista johtuvaa hajontaa
Näytteistä ajettiin myös laitekohtaiset varianssit ja toistokäyrät ovat erittäin suoria jo ihan vakiokomponenteillakin, Toisen varianssi oli 5,56210^-10 ja toisen 2,709910^-9 eli käsittämättömän suoria moiselle kytkennälle ja toteutukselle. Pease ei ollut mikään turha suunnittelija…
Kohtapuoliin laitan tänne myös kytkentöjen askelvastemittauksia mistä nähdään vähän miten nopeasti ne reagoivat taajuuden muutoksiin. Tämä on tärkeä ominaisuus jos piiriä käytetään osana säätöjärjestelmää jonka dynamiikalle on vaatimuksia.
Muuntimen askelvastetta testattiin signaaligeneraattorilla kytkemällä askelmaisesti päälle 2 testitaajuutta, 1kHz ha 10kHz. Kuvissa keltainen signaali (Ch1) on muuntimeen syötetty taajuus, sininen (Ch2) on muuntimen lähtösignaali.
Oskilloskooppikuvista mitattiin lähtösignaalin latenssi ja nousuaika 90% tasoon loppuarvosta.
0 -> 1 kHz askelvaste:
Ch1: 1,0 V/div, Ch2: 200 mV/div, t: 2 ms/div
Latenssi: 3,8 ms
Nousuaika:13,1 ms
0 -> 10 kHz askelvaste:
Ch1: 1,0 V/div, Ch2: 2,0 V/div, t: 1 ms/div
Latenssi:1,2 ms
Nousuaika:8,4 ms
Havaitaan, että Peasen innovatiivinen integraattorin aikavakiota muuttava transistorikytkentä tosiaan toimii koska isompi taajusaskel nopeuttaa askelvastetta huomattavasti.
