Bilgisayar Mühendisliği Bölümü Elektronik Devreler Laboratuvarı Deney 1 Osiloskopun İncelenmesi

Transkript

1 Bilgisayar Mühendisliği Bölümü Elektronik Devreler Laboratuvarı Deney 1 Osiloskopun İncelenmesi Deneyin Amacı: Bir çok mesleğin kendi alanında kullanılan scopları (scope) vardır. Bir astronomici için tele-skop ne ise, bir doktor, bir biyolog için mikro-skop ne ise elektrik ile ilgili mühendisliklerde de osilo-skop odur denilebilir. Elektriksel büyüklüklerin zamana göre değişim biçimlerini incelemede çok büyük bir önemi olan osiloskop un yerini ne ampermetre ne de voltmetre tutabilir. Osiloskop un üstünlüğü elektriksel işaretin şeklini göstermesidir. Osiloskop ile akım, gerilim, zaman, frekans ölçmelerinin, karakteristik çıkartma işleminin nasıl yapılacağı bu deney yolu ile kavratılmaya çalışılacaktır. Ön Bilgiler: Osililoskop u dört kısma ayırmak mümkündür. Osiloskop un Kısımları: 1. Katot Işınlı Tüp: Katot ışınlı tüp havası boşaltılmış cam bir tüp olup, ekranın iç yüzeyine flueresan bir madde sürülmüştür. Televizyon tüplerinin bir benzeri olan bu tüpün şekli aşağıda verilmiştir. << Şekil 1.1 >>

2 Katot ışınlı tüpün başlıca kısımları: 1. Elektron tabancası, 2. Düşey ve yatay saptırıcılar, 3. Ekran dır. Elektron tabancası, elektronların meydana gelmesini ve kontrolünü sağlamaktadır. Elektron tabancasının katodu yüksek sıcaklıktadır ve elektron yayar. Izgara gerilimlerinin kontrolüyle ekrana düşen elektron demetinin ışık şiddeti (intensity) ayarı yapılabilmektedir. Bu ise ızgaraya negatif gerilim uygulanarak yapılmaktadır. Anotlar pozitif gerilimdedir. Bu nedenle elektron demetinin odak ayarı ve hızlandırmaları anot ile sağlanmaktadır. Elektron tabancasından, şiddeti ayarlanmış, odaklanmış ve hızlandırılmış olarak çıkan elektronlar, düşey ve yatay saptırma levhalarının arasından geçerek ekranın iç yüzeyine ulaşırlar. Ekranın iç yüzeyindeki flüoresan madde nedeniyle, iç yüzeye çarpan elektron demeti ekranın dışında yeşil bir ışık noktası (spot) olarak görünür. Düşey ve yatay levhalara hiçbir gerilim uygulanmamışken ışıklı nokta ekranın tam ortasına gelir. Bu levhalara 20-50V arası gerilimler uygulayarak ışıklı nokta ekranın istenilen noktasına getirilebilir. 2. Düşey Kuvvetlendiriciler: Osiliskop ta ölçülmek istenen büyüklükler çok küçükse ekranda çok küçük bir şekil görülmektedir. Ölçülmek istenen büyüklüğün ekranda uygun bir büyüklükte görülebilmesi için, bu büyüklük önce kuvvetlendiricilere uygulanarak büyütülür daha sonra levhalara uygulanır. Kuvvetlendiricilerin gerilimleri ayarlanarak ekranda uygun büyüklükte bir şeklin çıkması sağlanabilir. Böylece osiloskopta küçük genlikli işaretlerin ölçülmesi de sağlanmış olmaktadır. Osiliskop ta düşey kuvvetlendiricilerin kuvvetlendirme katsayıları VOLTS/DIV, düğmeleriyle ayarlanabilmektedir Gerilim ve zaman okumalarında hata olmaması için bunlarla ilgili düğmelerin kalibrasyon konumunda olmalarına dikkat edilmelidir. 3. Yatay Süpürme Devresi: Osiloskop ekranında zaman ekseni olarak yatay eksen, dikey eksen ise genlik ekseni olarak kabul edilir. Ölçülecek işaretin genliği osiloskop a uygulanarak dikey eksene düşürülür. Yatay eksenin de zaman ekseni olarak ele alınabilmesi için osiloskop un kendi içinde yer alan, testere dişlerine benzeyen bir

3 işaret üreten osilotörü vardır. Bu osilatörün ürettiği testere dişli işaret yatay saptırma levhalarında kullanılır. Düşey levhalara gerilim uygulanmışken zaman ekseni osiloskop ekranı üzerinde düz bir çizgi halinde görülür. Ekranı tarama hızı testere dişli işaretin frekansı ile ilgilidir. Ekranı tarama hızı küçülürse ışıklı noktanın ekran üzerinde sağ tarafa doğru hareketi gözlenebilir. Bu tarama hızı TIME/DIV düğmesi ila ayarlanır. Düşeye ve yataya uygulanan işaretler birlikte senkron olurlarsa, ekrandaki işaret duruyormuş gibi görünür. Aksi halde işaret sağa ya da sola doğru kayma gösterir. Aşağıdaki şekilde yatay süpürme devresinin ürettiği testere dişli işaretle osiloskop un dikey levhalarında hiç gerilim yokken ekranı tarama ilişkisi gösterilmiştir. 0-T zaman aralığında testere dişli işaretin gerilimi zamanla doğru orantılı olarak değişmektedir. << Şekil 2 >> 4. Güç Kaynağı: Osiloskop un bu maddelenen kısımların çalışmasını sağlayan iki tür doğru akım güç kaynağı vardır. Bunlardan biri 10kV un üzerinde gerilim veren ve katot tüpünün çalışmasında kullanılır. Diğeri ise, alçak gerilim kaynağı olup, osiloskop kuvvetlendiricileri ile süpürme gerilimi devreleri için kullanılır. Osiloskopun Çalıştırılması: 1. Osiloskopun açma-kapama (on-off) anahtarı konumdayken, odaklama (focus) ve ışık ayarı (intensity) düğmeleri en küçük konumlarda olmalı.

4 2. Düşey ve yatay konumu kontrol eden düğmeler yaklaşık olarak ortada olmalı. 3. Tetikleme işareti dışarıdan veriliyorsa ki laboratuarda yapılacak uygulamalar otomatik (içeriden) tetikleme ile olacaktır. TIME/DIV anahtarı INT konumunda olmalı. Tarama düğmesi ( TRIG,LEVEL düğmesi) AUTO konumunda olmalı. 4. Osiloskop u açınız. (Fişi elektrik şebekesinin prizine taktıktan sonra) 5. Osiloskop ısınıncaya kadar bir süre bekleyiniz. Daha sonra ışıklı çizgi ekranda görülebilecek kadar INTENSITY düğmesiyle ışık şiddetini arttırınız. Eğer çizgi ekranda görünmüyorsa, X-Y POSITION konum ayarlama düğmeleri yardımıyla, ışık çizgisini bulmaya çalışınız. Daima INTENSITY yi mümkün olduğu kadar küçük seviyede tutunuz. Çünkü ışıklı çizgi çok parlak olursa ekranın fleuresan maddesi yanabilir. Bu işlemleri yaptıktan sonra hala ışıklı çizgiyi ekranda göremiyorsanız kullandığınız kanala dikkat ediniz. Probunuz hangi kanalda ise kanal anahtarı da o kanalda olmalıdır. (CH1, CH2 ya da her ikisine birden) 6. FOCUS düğmesi ile netlik ayarı yapınız. 7. TIME/DIV düğmesini 10ms ya da daha küçük konuma alınız. Ekrandaki çizgi eğikse üzerinde TRACE ROTATION yazan küçük deliğin içindeki ayar yeri tornavida ile döndürülerek ayarlanabilir, düğme yardımıyla düzlük ayarı yapınız. 8. Osiloskop un problarınızı takınız. 1 lik ya da 10 luk kademeye alınız. 1 lik kademede osiloskop ölçülen değerleri aynen gösterir. 10 luk kademede ise ölçülen işaretin 10 kat küçülmüş halini gösterir. Bu kademe ayarı probun elle tutulan kısmındaki düğme yardımıyla yapılır. Bu işlemlerden sonra, osiloskop a uygulandığı halde net bir şekil ekranda yoksa, VOLTS/DIV düğmesi uygun konumda olmayabilir. Tercihen bu düğme ilk açıldığında 2 ya da 5 volts/dşv konumunda tutulmalıdır. Eğer 1mV/div gibi bir kademede tutulursa 5V genlikli bir işaret ekrana sığmayacaktır. X-Y İşlemi: Bu konu şu ana kadar işlenmiş konulara göre öğrencilere aşina olmayan bir uygulamadır. Fakat pratikteki önemi çok büyüktür.

5 Devre elemanlarının karakteristiğinin çıkartılmasına imkan tanıyan bu işlem, osiloskop un TIME/DIV düğmesi X-Y konumuna, INT TRIG düğmesi yine X-Y konumuna alınarak yapılır. Bu konumda yatay ekseni belirleyen X (CH1) girişidir. Dikey eksen ise Y (CH2) girişidir. Daha önceki uygulamalarda yatay eksen zaman ekseni iken bu uygulamada yatay eksen X (CH1) girişidir. CH1 ve CH2 ye farklı işaretler uygulandığında osiloskop ekranında oluşacak şekil aşağıdaki örnekte verilen yöntemle bulunabilir. Örnek: CH1 ve CH2 ye sırayla 3 ve 4 volt uygulanırsa X-Y işleminde elde edilen şekil aşağıdaki gibi olur. << Şekil 3 >> Şekilden de anlaşılacağı gibi zaman ekseni ortadan kalkmış, sadece x ve y parametrelerine bağlı bir şekil ortaya çıkmıştır. Bu, bir devre elemanının karakteristiğini çıkarmada, çok uçlu devre ve sistemlerin karakteristiğini çıkarmada büyük önem taşımaktadır. Aşağıdaki şekilde verilen çok uçluyu ele alalım: X=x(t) Y=f(x) Y=y(t) << Şekil 4 >>

6 Bir X=x(t) giriş işaretine karşı çok uçlu devre Y=y(t) çıkış işaretini vermektedir. X-Y işlemi harici işlemlerde giriş ve çıkış işaretlerini zamanın bir fonksiyonu olarak osiloskopta görmek mümkündür. X-Y işlemi ile osiloskopta X parametresine karşı Y parametresini nasıl değiştiği görülebilir. Bu işlemi yapmak için giriş x(t) işareti CH1 e çıkış işareti CH2 ye uygulanır. TIME/DIV düğmesi X-Y EXT yazan yere alınır. Yatay ve dikey kuvvetlendirme katsatıları uygun değerlere alınır. Deneyin Yapılışı: 1. Ayarlı DC gerilim kaynağının + ucunu osiloskop un + ucuna kaynağın ucunu da osiloskop un ucuna bağlayınız. Gerilimi yavaş yavaş arttırarak ekrandaki değişimi gözleyiniz. 2. Aşağıda şekli verilen deney düzenini kurunuz. Fonksiyon üreticiden sırayla Frekans 100 1k 50k 100k 500k Hz Vin Volt Vout << Tablo 1 >> << Şekil 5 >> Sinüs işaretlerini üretip osiloskop ta uygun zamanlama ve büyüklük ayarlarını yapınız. Elde ettiğiniz dalga şekli ekrana

7 uyacak şekilde TIMING ve VOLTS/DIV düğmelerini ayarlayınız. Şekilleri sırayla çizip yanına her birim uzunluğun kaç volt ve saniyeye denk düştüğünü yazınız. 3. Fonksiyon üretecinden 2sin(6280t) işaretini üreterek bu işareti CH1 girişine uygulayınız. Fonksiyon üretecinin OFFSET düğmesini kullanarak osiloskop DC konumda iken 3+2sin(6280t) işaretini elde ediniz. Şekli çiziniz. Bu kez osiloskop u AC konuma getirerek elde edilen şekli çiziniz.

8 Elektronik Devreler Laboratuvarı Deney 2 Diyot Uygulamaları Deneyin Amacı: Yarıiletken teknolojisinin temel elemanı sayılan diyot un, yapısının, çalışma şeklini deneysel yolla anlaşılmasını sağlamak, elektronik devrelerde nasıl kullanıldığını göstermektir. Diyot elemanı elektronik devrelerde birçok amaç için kullanılmaktadır. Fakat temel özelliği, iletim yönünde kutuplandığı zaman akım geçirmesi, aksi yönde kutuplandığı zaman akım geçirmemesidir. Deneyin Yapılışı: 1. Karakteristik Çıkarma: Aşağıda şekli verilen devreyi kurunuz. Devreye tepe değeri 10V olan bir sinüs işareti uygulayarak, osiloskopu X-Y moduna geçiriniz. Diyotun karakteristiğini çıkartınız. CH2 deki işaret diyotun akımının 1000 katıdır. CH1 deki işaret ise diyotun gerilimidir. Bu yolla iki uçlu bir elemanın akım gerilim karakteristiği çıkartılır. << Şekil 1 >>

9 2. V1=3V, R=1k için aşağıdaki devreyi kurunuz. Vi=8sin(6280t) işaretini uygulayıp giriş ve çıkış şeklini alt alta çiziniz. << Şekil 2 >> 3. Aşağıdaki seviye kaydırıcı devreyi C=10uF kondansatör ile kurunuz. Girişe tepe değeri 5V olan sinüs işareti uygulayıp çıkış işaretlerini çiziniz. Aynı deneyi diyotu ters bağlayarak tekrar ediniz. << Şekil 3 >>

10 4. Aşağıdaki yarım dalga doğrultucu devreyi R=10k için kurup tepeden tepeye 10V genlikli sinüs işareti uygulayınız. Giriş ve çıkış işaretlerini gözleyiniz. Aynı işlemleri R direncine paralel sırayla C=1uF ve C=10uF kondansatör bağlayarak tekrarlayınız. << Şekil 4 >>

11 Elektronik Devreler Laboratuvarı Deney 3 Tranzistörlü Devre Uygulamaları Deneyin Amacı: Elektronik devrelerde vazgeçilmez bir yapı taşı olan transzisörlü devrelerin çalışma şekli ve uygulamaları deney yolu ile kavratılmaya çalışacaktır. Özellikle kuvvetlendiriciler üzerinde durulacak, aşama aşama giriş işaretinin değişimi izlenecektir. Deneyin Yapılışı: 1. Devrenin girişine genliği 5V, frekansı 1kHz olan sinüzoidal ve kare dalga bir işaret uygulayıp çıkış işaretini çiziniz. Sonra giriş işaretinin genliğini 5V dan 10V a kadar arttırarak çıkış işaretinin nasıl değiştiğini gözleyiniz. Daha sonra girişe frekansı 10Hz ler mertebesinde olan bir işaret uygulayıp tranzistörün anahtarlama yaptığını gözleyiniz. << Şekil 1 >>

12 2. Aşağıdaki devreyi kurunuz. Tranzistörün baz, emetör ve kollektör bacakları ile toprak arasındaki gerilimleri sırayla ölçüp kaydediniz. Devrenin çıkış ucunu bir bir osiloskopa bağlayarak kırpılmasız bir sinüzoidal işaret elde ediniz. Gerilim kazancını hesaplayınız. Giriş gerilimini arttırarak çıkışta her iki yönde kırpılmalı bir dalga elde ediniz. Dalga şeklini çiziniz. <<Şekil 2>>

13 Elektronik Devreler Laboratuvarı Deney 4 İşlemsel Kuvvetlendirici Uygulamaları İngilizcesi Operational Amplifier olan ve piyasada sıklıkla OPAMP olarak anılan işlemsel kuvvetlendiriciler elektronik devrelerinde çok sık kullanılırlar. Bu deneyin amacı öğrencilere elektronikte çok önemli bir yer tutan opampı tanıtmak ve bazı temel uygulamalarını göstermektir. Opamp çok uçlu bir elemandır ve tümdevre dediğimiz yapılar içinde yer alır. Opampın temel uç bağıntıları ve eşdeğer devresi aşağıda verilmiştir. İdeal bir opampda olması gereken özellikler: Açık çevrim kazancı sonsuzdur. Giriş direnci sonsuzdur. Bant genişliği sonsuzdur. Çıkış direnci sıfırdır. R0=0 (Giriş akımları I1=I2=0) V1=V2 için V0=0 dır. Gürültüsü yoktur, karakteristikleri sıcaklıkla ve zamanla değişmez. Deneyin Yapılışı: 1. Aşağıdaki evirici devresini kurunuz. Girişe genliği 0.2V genlikli 150Hz sinüzoidal işaret verip giriş ve çıkış dalga şekillilerini çiziniz. (Rb=10k, 47k değerleri için tüm işlemleri tekrarlayınız ve tabloyu doldurunuz.) Ra=10k

14 << Şekil 1 >> Rb Vo Kazanç 10k 47k << Tablo 1 >> 2. Aşağıdaki evirmeyen kuvvetlendirici devresini kurunuz. Yine girişe tepeden-tepeye 200mV, 150Hz sinüzoidal işaret vererek, Rb direncine yine yukarıdaki gibi 10K, 47K değerlerini vererek aşağıdaki tabloyu doldurunuz. << Şekil 2 >>

15 Rb Vo Kazanç 10k 47k << Tablo 2 >> 3. Aşağıdaki integral alıcı devreyi R=1K ve C=1uF için kurunuz ve girişine kare dalga vererek çıkışı gözleyiniz. 1V 150Hz << Şekil 3 >> 4. Aşağıdaki türev alıcı devreyi R=1K ve C=1uF için kurunuz ve girişine üçgen dalga vererek çıkışını gözleyiniz. 1V 150Hz << Şekil 4 >>

16 Elektronik Devreler Laboratuvarı Deney 5 Zamanlayıcı Uygulamaları Günümüzde özellikle sayısal devrelerde olmak üzere tüm elektronik devrelerde değişik türde ve değerlerde zamanlama işaretleri yaygın biçimde kullanılmaktadır. Bu nedenle hassas ve kararlı zamanlama işaretlerinin üretilebilmesi elektronik devre tasarımında en önemli konulardan biri haline gelmektedir. Son yıllarda bu ihtiyacı karşılamak üzere tasarlanmış genel amaçlı zamanlayıcı tümdevreleri yaygınlaşmış olup bu tümdevreler üretilecek zamanlama işaretinin biçimi, genliği ve frekansı gibi elektriksel büyüklükleri esnek bir şekilde ve geniş bir aralıkta değiştirebilme olanağı sunarak hassas ve kararlı (sıcaklık, gürültü vb ne karşı) bir çıkış işaretinin üstelik çok ucuz bir fiyata elde edilmesini sağlarlar. Bu zamanlayıcılar değişik çalışma modlarına alınarak, tüm zamanlama ihtiyaçlarına çözüm getirebilirler. Yukarıda sözü edilen zamanlayıcı tümdevreleri içinde en yaygın olanlardan biri de 555 zamanlayıcısıdır. Bu deneyde 555 tümdevresi incelenerek belli başlı çalışma modları deneysel yolla gözlenecektir. 555 in en çok kullanılan modları şunlarıdır: Monostable (One-Shot) Modu: Bu modda, bir tetikleme darbesi üzerine konum değiştiren çıkış, harici kapasite ve direnç elemanının belirlediği süre kadar bu konumda kaldıktan sonra yeniden eski konumunda döner. Bu süre içinde iken gelecek diğer tetikleme darbeleri ise çıkışın konumunu etkilemez. Çıkış darbesi devrenin RESET girişi (pin4) etkinleştirilerek sonlandırılabilir. Astable (Oscillator) Modu: Bu modda devre kendi kendini tetikleyerek sürekli bir darbe dizisi oluşturur. Çıkış işaretinin frekansı ve darbe/boşluk oranı harici direnç ve kapasite elemanları ile belirlenir. Çalışma frekansı besleme geriliminden bağımsızdır. Frekans Bölme Modu: Devre monostable modda, seçilen uygun bir darbe genişliği ile girişine uygulanan işareti istenen oranda bölen bir frekans bölücü olarak çalıştırılabilir.

17 Darbe Genişlik Modülatörü (PWM) Modu: Zamanlayıcı monostable modda iken tetikleme girişine sürekli darbe dizisi uygulandığında, çıkış işaretinin darbe genişliği MODULATION girişine (pin5) uygulanan gerilimle değiştirilebilir. Deneyde Yapılacaklar: 1. Grup No khz frekans değerinde bir çıkış işareti üretecek direnç ve kapasite elemanlarını kullanarak zamanlayıcıyı astable modda çalıştıracak devreyi kurarak ve çıkış işareti ile kapasite gerilimini gözleyerek şekillerini çiziniz.(dirençler Kohm lar mertebesinde olmalıdır). 2. Grup No mod saniye süresinde bir çıkış darbesi üretiniz. Giriş çıkış işaretleri arasındaki ilişkiyi gözleyip şekillerini çiziniz. 3. Zamanlayıcıyı uygun değerdeki harici elemanlar kullanarak frekans bölme modunda 10kHz frekansındaki giriş işaretini beşe bölecek şekilde çalıştırarak giriş ve çıkış işaretlerini gözleyip çiziniz. Not: 555 in modlarına data booktan çalışarak deneye gelmeden önce gerekli direnç ve kondansatör değerlerini hesaplayıp gerekli elemanları temin ediniz (hesaplamalar yapılırken elde olan bir kondansatör değerine göre direnç değerleri hesaplanmalıdır).