יום חמישי, 14 במאי 2015

מבחן חיצוני מעבדות הכנה תשובות הסבר תיאוריה מעגלים עשרה ניסויים אופן הבחינה

מעבדה עשרה ניסויים כיתה יג' הנדסאי אלקטרוניקה ומחשבים כל התשובות הסברים תיאוריה איך לכתוב דו"ח

המטרה שלנו היא להרשים את הבוחן שניצב מולנו, בדרך כלל אם לא נעשה הכל כמו שצריך והמורה יוודא שמה אנחנו עושים אנחנו גם מבינים הוא ישחרר אתכם וייתן לכם ציון טוב. חשוב להיות מאוד רגועים ולחשוב בהיגיון. יש לעשות רושם ראשוני טוב, כן זה גם אומר להתקלח לפני, או לבוא בבגדים מכובדים.

זכרו כי בשרטוט אשר תקבלו זכותכם לקבל את מספרי הרגליים ואת ה-DATASHEET של הנתונים.

כל צעד וצעד שלנו אנחנו נכתוב בדו"ח בצורה יפה ומסודרת, כתב יד קריא, עם סרגל, עיפרון, מחק ועט.

בוחרים שני ניסויים באופן אקראי מתוך עשרה ניסויים בתוך מעטפה.
יש לבחור ניסוי אחד בלבד מתוך שני הניסויים.

הרכבת הציון:
40% מהציון יינתן לבנייה והרכבה של המעגל.
40% ידע והבנה: בקיאות בנושא, עד כמה אתה מבין את החומר ואת הניסוי, הבוחן יכול לשאול אותך שאלות בנושא.
20% דו"ח - דו"ח בו אתה כותב בצורה מפורטת אודות ניסוי, הרקע התיאורטי וכל מה שאתה עושה בניסוי.


ניסוי מספר 1: שרטוט בעזרת עורך גרפי max plus 2 של מעגל מפענח מ-BCD לשבע מקטעים, ביצוע הידור והדימה לאימות התכנון.

הנחיות לניסוי:
1. שרטט בעזרת העורך הגרפי של מעגל מפענח מ-BCD לתצוגת שבע מקטעים.
2. ביצוע הידור.
3. ביצוע הדמיה לאימות התכנון.


פתרון:

אנו בונים מערכת אשר יש לה ארבע כניסות: כניסה A, B C ו-D.
בהתאם למתח שנכניס לכל אחת מהכניסות נקבל מספר שונה מאפס עד לתשע.
בחרנו בארבע כניסות משום שמספר האפשרויות שלנו הוא: 16, ואילו היינו עושים שלוש כניסות מספר האפשרויות שלנו היה 8 - מה שלא היה מפסיק לתשע ספרות.


המבנה של שבע מקטעים:

נמלא טבלה שבא נציג מה נכניס לכניסות, ואילו מנורות בשבע המקטעים תדלקנה (נניח כי במערכת שלנו נורות הלד פעילות ב-"אחד לוגי"):


סיפרה
A
B
C
D
a
b
c
d
e
f
g
0
0
0
0
0
 1
 1
 1
 1
1
0
1
0
0
0
1
 0
 1
1
 0
 0
0
0
2
0
0
1
0
 1
 1
0
 1
 1
0
1
3
0
0
1
1
 1
 1
1
 1
 0
1
4
0
1
0
0
 0
 1
1
 0
 0
1
1
5
0
1
0
1
 1
 0
1
 1
 0
1
1
6
0
1
1
0
 1
 0
 1
 1
1
1
7
0
1
1
1
 1
 1
 0
 0
0
0
8
1
0
0
0
 1
 1
1
 1
 1
1
9
1
0
0
1
 1
 1
1
 1
 0
1
1

על מנת לדעת איך לשרטט את המערכת שלנו נעזר במפת קרנו לכל אחד מהאותיות.
אנו נשתמש במפת קרנו של ארבע משתנים כנגד ארבע כניסות:




C
C D
D

0
4
12
8
1
5
13
9
A B
3
7
15
11
B
2
6
14
10


נמלא את הטבלה ל-a:
מקרא:
X -לא משנה האם נסמן כחלק מהקבוצה או לא
1 - חייבים לקחת
0 - אסור לקחת
נסמן קבוצה אחת: T1, קבוצה שנייה T2 וכך האלה:
  


C
C D
D

0 1  T4
4 0
12 X T2
8 1 T2 T4
A
1 0
5 1 T3
13 X T2 T3
9 1 T2
A B
3 1 T1
7 1 T1 T3
15X T1 T2 T3
11 X T1 T2
B
2 1 T1 T4
6 1 T1
14 X T1 T2
10 X T1T2 T4


T1=B
T2 = D
T3 = AC
T4 = A GAG * C GAG

T3+T4 = A XNOR  C
B+ D +  A XNOR  C




טבלה ל -b:



C
C D
D

0 1 T1 T3
4 1 T3
12X T3
8 1 T1T3
A
1 1T1 
5 0 
13X
9 1 T1
A B
3 1 T1 T2
7 1 T2
15X T2
11 X T1 T2
B
2 1 T1
6 0 
14X
10 X T1

T1: C GAG
T2: AB
T3: A GAG * B GAG

T2+T3 = A XNOR B
 C GAG +  A XNOR B



טבלה ל-c:




C
C D
D

0 1 T2
4 1  T2 T3
12X T2 T3
8 1 T2
A
1 1 T1 T2
5 1 T1 T2 T3
13X T1 T2 T3
9 1 T1 T2
A B 
3 1 T1
7 1 T1 T3
15X T1 T3
11X T1
B
2 0 
6 1 T3
14X  T3
10X 


T1= A
T2 = B GAG
T3 = C

A + B GAG + C


טבלה ל-d




C
C D
D

0 1 T1 T2
4 0
12X T2
8 1 T1
A
1 0
5 1 T2 
13X
9 1 T2
A B
3 1T2
7 0
15X T2
11X
B
2 1 T1
6 1 T2 
14X
10X T1 T2



T1= A GAG * C GAG
T2= גלאי זוגיות = A XNOR B XNOR C XNOR D
A GAG * C GAG +  A XNOR B XNOR C XNOR D


נעשה טבלה ל-e




C
C D
D

0 1 T1
4 0
12X 
8 1 T1
1 0
5 0
13X
9 0
A B
3 0
7 0 
15X 
11X
B
2 1 T1 T2
6 1 T2
14X T2
10X T1 T2


T1 = C GAG * A GAG
T2 = B * A GAG
 C GAG * A GAG+ B * A GAG
טבלה ל-f:



C
C D
D

0 1 T1
4 1 T1  T3 T4
12X T1 T3T4T2
8 1  T1 T2
1 0
5 1 T4
13X  T4 T2
9 1 T2
A B
3 0
7 0
15X  T2
11X  T2
B
2 0
6 1 T3
14X T3 T2
10X T2

T1 = A GAG * B GAG
T2 =D
T3 = C * A GAG
T4 =  C * B GAG 

T1 = 
A NOR B + C * B GAG + C * A GAG



טבלה ל-g:



C
C D
D

0 0
4 1 T1T3
12X T1 T3 T4
8 1   T4
1 0
5 1  T1
13X T1  T4
9 1  T4
A B
3 1  T2
7 0
15X  T4
11X T2  T4
B
2 1 T2
6 1 T3
14X T3 T4
10X T2 T4
T1= C*B GAG
T2 = B * C GAG
T3 =  A GAG * C
T4 =   D




משרטטים בתכונה את המעגל שיצרנו בעזרת מפות קרנו:
ארבע כניסות input A B C D

שבע כניסות יציאות a1 b1 c1 d1e1 f1 g1

מריצים קומפילציה, אחר כך סימולציה מכניסים גל ריבועי לכניסות כך שיראה את כל המצבים: ובודקים האם הוא לכאורה מדליק את מה שצריך להדליק.



ניסוי מספר שתיים: בנייה מימוש (שרטוט) של מעגל קטימה הממומש באמצעות דיודות.

מטלות הניסוי:
1. בנייה (שרטוט) של מעגל קטימה באמצעות דיודות.
ב. שרטוט אופניים המעבר: vi כפונקציה של vout של המעגל.
ג. שרטוט גרף המוצא בתלות בזמן עבור אות מבוא מחזורי.

שרטט את המעגל הבא:



פתרון
מכיוון שבניסוי יש כוונה שנשתמש בתכנת הדמיה, אנחנו נשתמש ב-EWB .

תחילה נעבוד על התיאוריה:

תחילה נציג את האופן התיאורטי שנלמד בכיתה:

נניח כי מדובר בדיודות אידאליות (VD=0)

אם נלך משמאל לימין בציר המתח (ממינוס אינסוף, עד פלוס אינסוף)
בקטע הראשון: הדיודה הימנית: תוליך, הדיודה השנייה: לא תוליך.
בקטע השני: הדיודה הימנית: לא תוליך, הדיודה השנייה: לא תוליך.
בקטע השלישי: הדיודה הימנית: לא תוליך, הדיודה השנייה: תוליך.

מכיוון שלכל קטע סמוך יש נקודת השקה, נשווה אותה ונמצא את נקודות המעבר בין קטע ראשון מבחינת מתח הכניסה, ובאותה עת נימצא מה יהיה מתח היציאה:

קטע ראשון:


נחשב את משוואת הזרמים:





הקטע השני:





קטע שלישי



נחשב משוואת הזרמים:



נשרטט את אופיין המעבר של התיאוריה, בדו"ח.

נוסיף מחולל כל משולש במתח מקסימלי של 15V ל-Vin.
נחבר גם סקופ (משקף תנודות) ל-Vout.
באופן הבא:



אך למעשה זה לא כך במציאות, הדיודה איננה אידיאלית והיא צורכת מתח.

נראה בהדמיה (סימולטור) את אופיין המעבר, נשרטט אותו בדו"ח כמובן, ונסביר.


עבודה עם הסקופ:




נעתיק את זה לדו"ח עם הסבר על נקודות:

נחבר מחולל גל משולש, בתדר אחד קילו הרץ ובתנופה של 7.5V מה שיעניק לנו מתח מקסימלי של 15V.

 שרטוט Vout ו-Vin במישור הזמן על פי משקף התנודות:



שרטוט Vin כפונקציה של Vout על פי משקף התנודות בתכנת ההדמיה (מצב B/A):


להעתיק למחברת תוך כדי ציון מתחים וצירים, ויחידות בכל ציר וציר.


ניסוי מספר שלוש: מעגל RC טורי
א. מדידת הזרם וזווית פאזור המעגל.
ב. מדידת המתח על פני כל אחד מרכיבי המעגל.
ג. סרטוט תרשים פאזורי של מתחי המעגל.
בנה את המעגל שלפניך:




פתרון

חשוב להבין מה הולך פה:
יש לנו נגד וקבל: נגד הוא רכיב פסיבי: כל מה שנותנים עליו הוא מקבל, ואילו קבל הוא רכיב אקטיבי.
לקבל יש זווית מופע אשר ניתנת לחישוב

התנגדות ומתח מודדים במקביל.
זרם מודדים בטור.



ניסוי מספר ארבע: משווה בחוג פתוח
מטלות הניסוי:
1. מימוש של משווה באמצעות מגבר שרת בחוג פתוח.
2. מדידת אופיין מעבר של המשווה.
3. מדידת מתח המוצא של המשווה (במישור הזמן) עבור אות מחזורי במבוא.
4. מדידת קצב שינוי מרבי של המשווה.
5. מימוש של משווה חלון באמצעות מגבר שרת.
ו. מדידות מתחי מוצא של משווה עבור מתחי DC שונים במבוא.

בנה את המעגל הבא:



תכונות מגבר שרת בחוג פתוח:


Vout= +VCC
V(+)>V(-)
Vout= -VCC
V(-)<V(+)
כאשר Vin=2V המתח היציאה שווה אפס וולט.

התנגדויות הכניסה הן אינסופיות
התנגדות הכניסה היא אינסופית


אופיין המעבר: כאשר Vin (ההדק השלילי) יהיה גדול מ-2V (שזה המתח בהדק החיובי) נקבל במוצא מגבר השרת מינוס חמש עשרה וולט.

כאשר Vin>2 אז Vout= -15V
כאשר Vin<2 אז Vout= 15V

אופיין המעבר:
נכניס כל מיני מתחי DC במבוא ונראה מה מתקבל לנו ביציאה:
נציג את זה בטבלה:




6
5
4
3
2
1
0
Vin
-15
-15
-15
-15
0
15
15
Vout


נשרטט את אופיין המעבר באופן תיאורטי:



נשרטט אופיין מעבר באופן מעשי (על פי הסקופ, זה יכול לצאת לא במדויק, כמו באופן האידאלי.



נחבר מחולל תדר

נשרטט את התוצאה התאורטית (כאשר מגבר השרת האידאלי) ואת התוצאה המעשית כפי שהיא באה לידי ביטוי בסקופ, תוך כדי ציון מתחים.

נחבר אות חילופים סינוס במבוא, בעוצמה של 20Vpp ובתדר 1KHz.

ניתן לשרטט בצבעים שונים את אות המבוא ואת אות המוצא.



מדידת קצב שינוי מרבי:
ככל שעולם בתדר, כך המעבר בין חמש עשרה וולט, למינוס חמש עשרה וולט - וההיפך יהיה מהיר יותר.
כיוון שאנו מוגבלים בתדר שאנו יכולים להפיק ממחולל התדר, אנו נראה בדו"ח שלנו כי ככל שעולה התדר כך גדל קצב שינוי.


באנגלית זה נקרא: slew rate
הפירוש:
the maximum rate at which an amplifier can respond to an abrupt change of input level.
השיעור המרבי שבו מגבר יכול להגיב לשינוי פתאומי של רמת קלט.

על פי דפי הנתונים:
0.5 V/micro second.


בתדר של 1KHz:
126 micro second
28 V

28/126=0.22

מימוש משווה חלון

נממש את משווה החלון בעזרת אותו רכיב אשר יכלול:
חיבור של משוב חיובי: עם נגד, בטור אליו עוד נגד, ובטור אליו מקור מתח ואז אדמה.
מתח הכניסה יבוצע מההדק השלילי.


נשרטט את השרטוט הבא בדו"ח ונבנה את המעגל הזה:
(מתחי הזנה פלוס חמש עשרה וולט, מינוס חמש עשרה וולט)


נחשב את אופיין המעבר באופו תיאורטי.

בעזרת חישוב נראה כי הנגדים R1 ו-R2 קובעים את מתחי הסף -המתחים שיש בהם שינוי.

אם נוסיף מתח DC בהדק שלילי, בין האדמה לנגד R2 אזי אם החלון יזוז ימינה או שמאלה: ימינה אם הוא חיובי, שמאלה אם הוא שלילי.

נעתיק את האופיין, ואת Vin ו-Vout במישור הזמן.


ניסוי מספר חמש: משווה מסוג שמיט
1. מימוש של משווה מסוג שמיט באמצעות מגבר שרת
2.מדידת אופיין מעבר Vout כפונקציה של Vin של מעגל שמיט.
3. מדידת מתחי הסף שלו.
4.מדידת מתח המוצא של המשווה (במישור הזמן)  עבור אות סינוסי במבוא.
5. הפעלת מעגל משולב המשמש כמעגל שמיט.

אין חידוש בשאר הסעיפים למעט חמש:

נשתמש ברכיב 4093 על מנת ליצור מתנד גל ריבועי בצורה של חלון:
נבנה את המעגל הבא:



יש לדעת את המושג היסטרזיס - צורת החלון, בעברית חשל.
יש לזכור כי הוא השרטוט אינו מגיע בדף הבחינה, זכרו את השרטוט ובנו אותו.

נסביר: כאשר יש לנו בהדק שלוש: שלוש וולט, הקבל ייטען והרכיב יבין שזה אחד לוגי, לכן הוא יוצא אפס.

כאשר יש לנו בהדק שלוש: אפס וולט, הוא יירצה להתפרק על הנגד, הוא יבין שיש אפס לוגי לכן הוא יוציא אחד לוגי.

ניסוי מספר שש: פעולת טרנזיסטור בזרם ישר וכמגבר בחיבור CE
מטלות הניסוי:
1. מדידת נקודת העבודה של מגבל טרנזיסטורי, ללא נגד פולט.
2. החלפת הטרנזיסטור באחר וחימום הטרנזיסטור כדי לבחור את השפעת השינויים על נקודת העבודה.
3. חיבור נגד פולט וביצוע חזור של סעיפים א' וב'.
4. מדידת הפרש מופע בין אות המוצא לבין אות המבוא.
5. מדידת השפעת נגד קולט על הגבר המתח.
6. סירטוט עקום ההיענות ומציאת נקודת חצי ההספק.


ניסוי שבע: הפעלת מגבר שרת עם ספק יחיד
מטלות הניסוי:
1. מימוש מגבר מהפך עם מגבר שרת המחובר לספק יחיד.
2. שינוי קצת מתח המוצא הישר (DC) במוצא.
ג. חיבור אות במבוא ומדידת מתח מוצא מרבי ללא עיוותים.
4. מדידת הגבר והפרש מופע.
5. מדידת עקום הענות ומדידת נקודות חצי הספק.

הרכב את המעגל שלפניך:


ערכים מתאימים ינתנו בניסוי עצמו.

הסבר על האופן שבו המעגל עובד:

מדוע אנו משתמשים ברוב המעגלים במתח הזנה חיובי ושלילי, כלומר בשני ספקי כוח?
מדובר פה במענה של צורך כלשהו. מתוך העובדה כי מעולם לא נוכל לקבל מתח במוצא שאיננו בטווח של מתחי ההזנה.
אם ברצוננו להגביר מתח סינוסי, הריי שיש בו גם מתח שלילי, לכן נרצה כי במוצא יהיה טווח שיכלול גם מתח שלילי, לכן נזין אותו במתח חיובי וגם במתח שלילי.

שימו לב כי בניסוי הזה אנחנו עובדים עם מגבר שרת כמגבר לכל דבר ועניין אבל ביתרון: אנחנו משתמשים בספק כוח יחיד בלבד. בשרטוט שלנו משורטטים שני מקורות מתח (שניהם אחידים - כלומר מאותו מקור מתח).

אנו מכניסים ב-Vin מתח סינוסי ועל מנת לוודא כי אנחנו מקבלים אותו סביב האפס, שאינו רוכב על שום מתח DC המתח הזה יעבור דרך הקבל.


נכוון לנו באמצעות הזלחן את נקודת העבודה המיטבית ללא עיוותים:


הסבר על נקודת עבודה מיטבית: נקודת עבודה מיטבית היא האמצע. כך יש לנו את הגל הסינוס  הכי רחב ללא עיוותים, נגדים בעזרת סירטוט:

נקודת עבודה לא מיטבית:




נקודת עבודה לא מיטבית נוספת:




נקודת עבודה מיטבית:




נוודא כי במוצא קיבלנו את מה שרצינו.

האות של אחרי הקבל רוכב על האפס.
לכאורה אם הוא ייכנס למגבר השרת הוא יהיה קטום מציר האפס ומטה כי אין לנו מתח הזנה שלילי, לכן צריך להרים אותו בטווח שבו לא ייקטם שום חלק מהסינוס.

יש לנו משוב שלילי: לכן ההדק ההחיובי שווה להדק השלילי.

כבר אמרנו שאם אנחנו רוצים שתהיה לנו נקודת עבודה מיטבית אנחנו צריכים לחבר את הזחלן לאותו ערך בדיוק של הגד שמעליו.

בהדק החיובי יש לנו מתח DC, עקב המשוב השלילי: ההדק החיובי שווה להדק החיובי, לכן גל הסינוס שלנו ירכב על מתח ה-DC שאנחנו שולטים בו באמצעות הזחלן.

הוא יעבור הגבר על פי מגבר השרת.

אחרי ההגברה יש קבל: מה שיגרום למתח לרכוב בחזרה על ציר האפס, ועכשיו נקבל גם סינוס על האפס לא קטם - והמתח הזה ייפול על הנגד האחרון, זה בעצם ה-Vout שלנו.

מדידת הפרש מופע:
ניתן למדוד הפרש מופע על ידי הנוסחה הבאה:
הפרש הזמן בין גל המוצא לגל המבוא כפול 360 כל זה חלקי זמן המחזור (זמן המחזור של שניהם אמור להיות שווה).

הפרש המופע אמור להיות 180 מעלות.

הסבר על מדידת נקודות חצי הספק:
נקודה שבה יש לנו חצי מההספק, כלומר 0.7 ממתח היציאה.
הנגד במבוא (בכניסה) גורם לכך שאם יהיה לנו תדר קטן מידי, אזי העכבה של הקבל הולכת וגדלה והוא מתפקד פחות ופחות כמו "קצר" (עכבת קבל שווה: אחד חלקי (שני פאי אף סי)), ככל שהתדר יותר קטן כך העכבה יותר גדולה.
הקבל לקוח מתח יש להוריד את התדר על לקבלת: 0.7*Vout

בתדרים גבוהים עקב הקיבול הפנימי (מגבר השרת בנוי מטרנזיסטור אשר בנוי בצורה של קבל בתדרים גבוהים) תהיה ירידה של מתח שבה גם שם נגיד לנקודת חצי ההספק (0.7 ממתח המוצא). 
יש להעלות את התדר על לקבלת: 0.7*Vout

יש לשרטט את השרטוט הבא:





על ידי כך ניתן למצוא את רוחב הפס: BW.


ניסוי מספר שמונה: מייצב מתח באמצעות סידרת הרכיבים 78XX
מטלות הניסוי:
1. מדידת מתח המוצא של המייצב עבור מתח ישר בערכים שונים במבוא.
2. מדידת מתח המוצא עבור נגדי עומס שונים.
3. מדידת מקדם היציבות: דלתא Vo חלקי דלתא אן.
4. בדיקת זרם הקצר במוצא.

פתרון תשובה הסבר

מה הרכיב מבצע? הרכיב מבצע ייצוב מתח: זאת אומרת בטווח מסויים של מתח ישר שנכניס אליו הוא יידאג לכך שבמוצא יהיה מתח קבוע.
במקרה של הרכיב שלנו: LM7805 הוא אמור להיוצא 5V אם נכניס מתח 8V-15V (בטווח הזה).


תחילה נכניס כל מיני מתחים שונים בטווח על מנת להראות בצורה מדידה (באמצעות הרב מודד) כי הרכיב מבצע את תפקידו ומוציא 5V בטווח שבו היצרן הבטיח שהוא יעשה את עבודתה נאמנה.
ניתן להכניס גם מתחים שמחוץ לטווח  - להראות כי מחוץ לטווח אין זה שומר על ה-5V.

נמדוד את מתח המוצא ואת זרם המוצא עם נגדים שונים במוצא: בהתאם לדרישה שלהם. (בהתאם לרכיבים שהם הביאו לנו - בהתאם לנגדים שהם הביאו לנו).

נחשב את מקדם היציבות: הפרש המתחים חלקי הפרש הזרמים. זכרו כי מקדם חייב להיות בין אפס לאחד.


ניסוי תשע: מתנד מבוקר מתח VCO ואפנון FM.
1. ניסוי מתח המבוא (מתח ישר) ובדיקת השפעתו על תדר המוצא.
2. אופיין מעבר VCO מציאת האזור הלינארי של אופיין.
3. אפנון FM בעזרת VCO: חישוב מקדם האפנון ומדידת רוחב פס.

רקע תיאורטי: מתנד VCO הוא מתנד שמפיק תדרים בהתאם למתח הכניסה המחובר אליו. היתרון בסוג זה של מתנד הוא היכולת לשנות באופן אלקטרוני את תדר המוצא בהתאם למתח שאנחנו נכניס.

אין תגובות:

הוסף רשומת תגובה