Digilent Inc. oferuje doskonałe zestawy bardzo pomocne w nauce elektroniki, w pomiarach i testowaniu różnych układów elektronicznych. W artykule przedstawiamy współpracę przyrządów wchodzących w skład zestawu Analog Discovery, na przykładzie eksperymentu przeprowadzonego z użyciem elementów zestawu Analog Parts Kit.

Analog Discovery to zestaw wirtualnych przyrządów pomiarowych o doskonałych, jak dla urządzeń tej klasy parametrach i możliwościach. Ocena tego urządzenia wypada szczególnie korzystnie w odniesieniu do jego ceny.

Elektronika urządzenia Analog Discovery mieści się w obudowie o wymiarach 68×82×19 mm. W tak małej objętości zmieszczono bardzo atrakcyjne przyrządy stanowiące podstawowe wyposażenie stanowiska pomiarowego. W przyrządzie z oprogramowaniem w wersji 2.5.3.32bit są to:

• 2-kanałowy oscyloskop z wejściami różnicowymi,
• 2-kanałowy generator arbitralny,
• zasilacz dostarczający napięcia +5 i –5 V,
• generator przebiegów cyfrowych o konfigurowalnej liczbie linii wyjściowych (maksymalnie 16),
• analizator stanów logicznych, także o konfigurowanej liczbie wejść,
• rejestr statycznych wejść/wyjść cyfrowych,
• analizator obwodów (Network Analyzer) służący na przykład do zdejmowania charakterystyk częstotliwościowych czwórników w zakresie do 10 MHz,
• 2-kanałowy woltomierz cyfrowy DC, True RMS, AC RMS,
• analizator widma sygnału doprowadzonego do wejść oscyloskopowych, mierzący w zakresie do 10 MHz. Jest to nowość wprowadzona w tej wersji oprogramowania.

W zestawie Analog Parts Kit znajdują się podzespoły elektroniczne, które mogą być wykorzystane do przeprowadzenia wielu ciekawych eksperymentów z elektrotechniki, teorii obwodów, elektroniki itp. Ważnym elementem jest uniwersalne pole montażowe, na którym w ciągu kilku minut, bez używania lutownicy można połączyć układ elektroniczny (fotografia 1).

Fot. 1. Układ eksperymentalny zmontowany z elementów zestawu Analog Parts Kit

Przykład praktyczny – wykreślanie charakterystyki wyjściowej I_C=f(U_CE) @I_BE=const tranzystora bipolarnego

Charakterystyką wyjściową tranzystora bipolarnego (w naszym przypadku będzie to tranzystor NPN 2N3904L) nazywamy zależność prądu kolektora w funkcji napięcia U_CE przy ustalonym prądzie bazy. W wyniku pomiarów uzyskamy de facto rodzinę charakterystyk, gdyż przyjmiemy 10 różnych wartości prądu bazy. Takie samo założenie jest przyjmowane w pomiarach wykonywanych przez producentów elementów półprzewodnikowych. Przykładową rodzinę charakterystyk, zaczerpniętą z noty katalogowej tranzystora 2N3904 (http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/kec/2N3904.pdf) przedstawiono na rysunku 2.

Rys. 2. Charakterystyki I_C=f(U_CE) @I_BE=const tranzystora 2N3904 wg noty katalogowej producenta

Przygotowanie przyrządu

Rodzinę charakterystyk I_C=f(U_CE) @I_BE=const można w bardzo prosty sposób wyznaczyć dysponując zestawem Analog Discovery. Do pomiaru zostaną wykorzystane dwa kanały generatora arbitralnego oraz dwa kanały oscyloskopu. Schemat pomiarowy przedstawiono na rysunku 3. Tranzystor pracuje w konfiguracji ze wspólnym emiterem. Do jego bazy doprowadzamy przez rezystor R_B napięcie generowane w 1 kanale generatora arbitralnego (W1). Będzie to przebieg schodkowy o 10 poziomach (rysunek 4). Każdemu schodkowi odpowiada inne natężenie prądu bazy, który można oszacować ze wzoru: I_B=(U_W1-U_BE)/R_B. Do pomiarów przyjęto oporność rezystora bazowego R_B równą 1 kW i założono niezmienną wartość napięcia U_BE. Na tej podstawie można obliczyć prądy bazy, dla poszczególnych wykresów rodziny (tabela 1). Przyjęcie stałego napięcia przewodzenia U_BE jest oczywiście pewnym nadużyciem, ale dopuszczalnym w opisywanym eksperymencie. Popełniany przy obliczaniu prądu bazy błąd jest rzędu 3%. Tylko dla pierwszego schodka jest on równy aż ok. 51%, co wynika z faktu, że złącze baza-emitor tranzystora nie jest jeszcze w pełni otwarte. Po uwzględnieniu zmierzonego w układzie rzeczywistego napięcia U_BE prąd bazy jest w tym przypadku, równy 8 mA.

Rys. 3. Układ do zdejmowania charakterystyk I_C=f(U_CE) @I_BE=const z zastosowaniem zestawu Analog Discovery

Rys. 4. Charakterystyki I_C=f(U_CE) @I_BE=const tranzystora 2N3904 wg noty katalogowej producenta

Tab. 1. Oszacowanie prądów bazy będących parametrami charakterystyk I_C=f(U_CE) tranzystora