ADALM1000 SMU培训专题分享

ADALM1000高级学习模块是一款简单易用的工具,用于自已或讲师主导学习中介绍电气工程的基础知识。本质上它是一款信号源测量单元,但也可将其视为独立的 示波器和函数发生器。但当分而视之时,由于输出功能(发生器)和输入功能(示波器)共用一个引脚,因此一次只能使用一个功能。

ADALM1000中的每个SMU通道只能产生0 V至5 V的电压(相对于地)。它提供固定的2.5 V和5 V输出,这些输出既能流出电流,也能吸入电流。DUT可以连接在2.5 V输出和SMU输出之间,而不是接地,以将DUT电压从–2.5 V扫描到+2.5 V。此外,由于ADALM1000有两个SMU,所以DUT可以连接两个SMU输出之间。一个通道从0 V扫描到5 V,另一个通道从5 V扫描到0 V,DUT两端的电压便是从–5 V到+5 V。

举个例子,考虑一个二极管——这种器件仅允许电流沿一个方向通过其中。为了评估二极管是否正常工作,我们需要看看两个方向的电流是否均能通过其中。检查方法有两种。我们可以在一个方向测量二极管,再手动转向,测量另一个方向,然后将数据组合在一起。然而,如果我们施加正电压和负电压,那么只需测量电流就行了。事实上,这种技术非常有用,常被用来表征很多具有类二极管行为的器件,太阳能电池和发光二极管就是很好的例子。图1显示如何将二极管连接到ADALM1000以扫描–5 V至+5 V电压。

图1. 从–5 V到+5 V扫描二极管。

通道A编程为从0 V扫描至5 V,而通道B编程为从5 V扫描至0 V,通道间的差值出现在电阻两端,用于限制电流和二极管。时域波形如图2所示。绿色曲线是通道A电压,橙色曲线是通道B电压,黄色曲线是通道B电流(通道A电流未显示,其与通道B电流刚好相反)。

图2. 电压和电流波形与时间的关系。

我们可以将这些测量数据彼此对照以绘制成图,并同时进行一些简单的数学计算。我们想绘制的是通过二极管的电流与二极管两端电压的关系。为了计算二极管两端的电压,我们可以从通道A和通道B的电压之差中减去电阻上的压降 (V = I×R)。下面的Python方程式(用在ALICE中)可执行该计算:

其中100为电阻的值。二极管电流与该方程式的关系曲线如图3所示。

图3. 二极管电流与–5 V至+5 V电压的关系。

许多日常物品都会通过SMU进行测试,作为工厂测试和质量控制流程的一部分。家中照明使用的LED灯和屋顶上安装的太阳能面板,都已利用SMU进行测试,这是制造过程的一部分。

ADALM1000专为正在研究下一代电子设备的工程专业学生使用而设计。从碳纳米管、量子阱异质结构到生物膜、生物传感器,要了解大量材料和器件如何导电,必须使用SMU。简言之,您可以利用ADALM1000去了解任何器件在DC或低频、–5 V至+5 V电压范围内的电气特性,并测量±0.1 mA至180 mA的电流。

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  • 培训主题1:分压和分流

    目标

    本实验活动的目标是验证电阻网络的分压和分流特性。

    背景知识

    分压和分流能够简化电路分析任务。分压使我们能够计算串联电阻串上的总电压在任一电阻上的压降。对于图1所示电路,分压公式为:

    图1. 分压

    分流使我们能够计算并联电阻串上的总电流经过任一电阻的分电流。

    图2. 分流

    对于图2所示电路,分流公式为:

    材料

    • 安装了ALICE 软件的ADALM1000 硬件模块(请参阅本文末尾的注释部分)。
    • 各种电阻:470 Ω、1 kΩ、4.7 kΩ 和1.5 kΩ。

    程序

    1. 验证分压:

       1)按照图2 所示构建电路。设置R1 = 4.7 kΩ,R2 = 1.5 kΩ,并使用5 V 固定电源作为电压源VS

       2)使用ALICE 桌面工具在高阻态模式下利用AWG 通道A 和B测量电压V1 和V2。其余设置对目前而言不重要。在Curves(曲线)下拉菜单中,选择CA-V、CB-V、CA-ICB-I迹线进行显示。或者点击All(全部)以选择所有四种迹线。

    图3. ALICE下拉菜单

    在CA和CB Meas(测量)下拉菜单中,选择-CA-V--CB-V-部分下面的Avg(平均)以显示各通道的平均电压。点击绿色Run(运行)按钮开始测量。值将显示在主网格下方。

    图4. 主网格

    对R1 = R2 = 4.7 kΩ 的情况重复此步骤并记下测量结果。

    1. 使用公式1 和公式2,计算每种情况的电压V1 和V2
    2. 比较步骤1a 和1b 的结果。

    2. 验证分流:

        1)按照图2 所示构建电路。设置R1 = 470 Ω,R2 = 1 kΩ, RS = 470 Ω。

        2)使用ALICE 桌面工具测量电流IS、I1 和I2。将通道A 发生器输出连接为电压源VS。设置CHA 产生5 V 直流电压。使用通道B 作为电流计,将R1 和R2 的低端连接到通道B,并且将通道B 设置为0 V,以交替测量I1 和I2

    图5. 测量I1和I2

    为显示各通道的平均电流,请选择Meas(测量)菜单-CA-I--CB-I-部分中的Avg(平均)。

    图6. 测量下拉菜单

    对R1 = R2 = 470 Ω 的情况重复此步骤并记下测量结果。

    1. 使用公式3 和公式4,计算电流I1 和I2
    2. 比较步骤2b 和2c 的结果。
  • 培训主题2:比例和叠加

    目标

    这次实验室活动的目标是验证比例和叠加定理。

    背景知识

    在本活动中,我们将借助以下各图所示电路,验证比例和叠加定理。

    1.  比例定理规定,电路响应与作用于电路的源成比例。也称为线性度。比例常数A表达的是输入电压与输出电压的关系:

      比例常数A有时被称为电路增益。对于图1所示电路,源电压为VIN。响应VOUT是通过4.7 kΩ电阻的响应。线性度最重要的结果是叠加。

      图1 作用于电路的源。
    2. 叠加定理规定,可以通过把各个独立源导致的个别响应相加,获得有多个独立源的线性电路(如图2所示电路)的响应。

      对于独立作用的独立源,电路中的所有其他独立电压源被短路取代,所有其他独立电流源被开路取代,如图3所示。

      图2. 带两个电压源的电路。
      图3. 单一源响应电路。

    材料

    • ADALM1000硬件模块。
    • 各种电阻:1 kΩ、2.2 kΩ和4.7 kΩ。

    程序

    1. 验证分压:

      1. 构建图1所示电路。用电压表工具精确测量三个输入电压的VOUT(使用ALM1000固定电源电压),如表1所示。应同时测量并记录实际固定电源电压。

        表1. 输入您的结果
        VIN (伏特) VOUT (伏特) A (无单位)
        2.5 V    
        3.3 V    
        5.0 V    
      2. 用公式1,计算各情况下的A值。
      3. 绘图,其中,x轴上为VIN,y轴上的VOUT
    2. 验证叠加定理:

      1. 构建图2所示电路。测量并记录通过4.7 kΩ电阻的电压。
      2. 构建图3所示电路。测量并记录通过4.7 kΩ电阻的电压。
      3. 将第1a至第2b步的响应加起来,算出图3所示电路的总响应VOUT。将计算所得结果与第2a步的测得值进行比较。解释为何存在差异。
  • 培训主题3: 戴维宁等效电路和最大功率传输

    目标

    本实验活动的目的是通过获得给定电路的戴维宁等效电压(VTH)和戴维宁等效电阻(RTH)来验证戴维宁定理,然后验证最大功率传输定理。

    图1. ADALM1000原理图。

    背景知识

    利用戴维宁定理可以将一个复杂电路简化为由一个电压源(VTH)与一个电阻(RTH)和负载电阻(RL)串联组成的等效电路。创建戴维宁等效电路之后,很容易确定负载电压VL或负载电流IL

    戴维宁定理的主要用途之一是用一个简单的等效电路替换一个电路的很大一部分,通常是较复杂且意义不大的部分。相比于更复杂的原始电路,利用新的更简单电路可以快速计算出输送给负载的电压、电流和功率。该定理还有助于选择负载(电阻)的最佳值以实现最大功率传输。

    图2. 图1的戴维宁等效电路。

    最大功率传输定理是指,一个独立电压源与一个电阻RS串联,或一个独立电流源与一个电阻RS并联,当负载电阻RL = RS时,输送给RL的功率最大。

    就戴维宁等效电路而言,当负载电阻RL等于电路的戴维宁等效电阻RTH时,输送给RL的功率最大。

    图3. 最大功率传输。

    材料

    • ADALM1000 硬件模块
    • 各种电阻(100 Ω、330 Ω、470 Ω、1 kΩ 和1.5 kΩ)

    程序

    1. 验证戴维宁定理:

      1. 利用下列元件值构建图2 所示电路:

        • R1 = 330 Ω
        • R2 = 470 Ω
        • R3 = 470 Ω
        • R4 = 330 Ω
        • R5 = 1 kΩ
        • RL = 1.5 kΩ
        • RS = 5 V
      2. 使用ALM1000 电压表工具精确测量负载电阻两端的电压VL。使用电压表工具,将通道CA 连接到VL 的正端,将通道CB连接到负端。VL 将是CA 电压与CB 电压之差。该值稍后将与您使用戴维宁等效电路得出的值进行比较。

      3. 测出VTH:移除负载电阻RL,测量端子上的开路电压VOC。使用电压表工具,将通道CA 连接到VOC的正端,将通道CB 连接到负端。VOC将是CA 电压与CB 电压之差。它等于VTH。参见图4。

        图4. 测量戴维宁电压。
      4. 测出RTH:移除电源电压VS 并构建图5 所示电路。使用ALM1000 欧姆表工具测量原先RL所在开口处的电阻。这就是RTH。使用欧姆表进行测量之前,确保没有电源施加到电路上,并且接地连接已按照图示移动。

        图5. 测量戴维宁电阻RTH
      5. 获得VTH 和RTH 之后,构建图2 所示电路。利用零件箱中电阻的串联和/ 或并联组合得到RTH 的值。使用仪表源工具,连接通道CA 以提供VTH源,并将该值设置为步骤c 中测量的VTH值。

        图6. 戴维宁等效结构。
      6. RL 设置为步骤b 中使用的1.5kΩ,测量等效电路的VL,并将其与步骤b 中获得的VL 进行比较,由此验证戴维宁定理。

      7. 可选步骤:设置RL = 2.2kΩ,重复步骤1b 至步骤1f。

    2. 验证最大功率传输定理:

      1. 利用下列值构建图7 所示电路:

        • VS = 5 V
        • R1 = R2 = 470 Ω
        • R3 = 1 kΩ
        • RL = 1 kΩ 和100 Ω 电阻的组合(图8)

        图7. 验证最大功率定理的电路。
      2. 使用电压表工具,将通道CA 连接到VL 的正端,将通道CB连接到RL 的负端。VL 将是CA 电压与CB 电压之差。

      3. 为找到传输最大功率的RL 值,构建1 kΩ 和100 Ω 的串/ 并联组合,以100 Ω 步进将负载电阻RL 从500 Ω 改变到1400 Ω,如图8 所示。对于每个RL值,记下VL

        图8. RL配置。
      4. 使用PL = VL²/RL 计算每个负载电阻值对应的功率。然后在测量结果之间进行插值,以计算对应于最大功率(PL-max) 的负载电阻值。该值应等于图7 中电路的RTH(相对于负载端子)。

  • 培训主题4:RC电路的瞬态响应

    目标

    本实验活动的目标是通过脉冲波形研究串联RC电路的瞬态响应并 了解时间常数的概念。

    背景

    在本实验活动中,将向RC电路施加一个脉冲波形,以分析该电 路的瞬态响应。RC电路对电路时间常数的影响由与之相关的脉 冲宽度决定。

    时间常数(τ):RC或RL电路中发生某些电压和电流变化所需的时间 度量。通常来说,在四倍时间常数(4 τ)之后,RC电路中的电容几乎 完全充电,此时其两端电压约为最大值的98%。一般认为这个区 间就是电路的瞬态响应。发生切换后经过的时间超过五倍时间常 数(5 τ)时,各电流和电压已达到最终值,此过程亦称为稳态响应。

    表1显示在给定时间常数下,RC充电电路中的电容在充电时的电 压和电流百分比。

    表1. 给定时间常数的电压和电流百分比

    请注意,现实中电容不可能100%充满。因此,实际上通常使用5 倍时间常数来表示电容已完全充满。

    一个RC电路的时间常数是其等效电容和等效电容两端的戴维宁 电阻的乘积。

    脉冲就是电压或电流从一个电平跳变到另一电平,然后又返回原 来电平的过程。如果一个波形的高电平时间与其低电平时间相 等,则称为方波。每个脉冲循环的长度称为周期(T)。

    一个理想方波的脉冲宽度(tp)等于时间周期的一半。

    那么,脉冲宽度和频率之间的关系可表示为:

    图2. 串联RC电路。

    根据基尔霍夫定律,电容两端的充电电压VC (t)可表示为:

    其中V表示τ = 0时电路上施加的源电压,RC = τ,是时间常数。

    该响应曲线呈递增趋势,如图3所示。

    图3. 串联RC电路对于步进输入的电容充电,时间轴通过τ归一化。

    该电容的放电电压表示为:

    其中Vo表示t = 0时电容中存储的初始电压,RC = τ,是时间常数。 该响应曲线是一个衰减式指数,如图4所示。

    图4. 串联RC电路的电容放电过程。

    材料:

    • ADALM1000硬件模块
    • 电阻 (2.2 kΩ, 10 kΩ)
    • 电容 (1 μF, 0.01 μF)

    步骤:

    1. 在无焊试验板上搭建如图5所示的电路,使用的元件为R1 = 2.2 kΩ,C1 = 1 μF。打开ALICE示波器软件。
    2. 将通道A任意波形发生器(AWG)的最小值(Min)设为0.5 V,最大值(Max)设为4.5V,从而生成一个峰峰值为4 V,中心为2.5 V的方波,作为输入电压施加于电路。在AWG A的模式下拉菜单中选择SVMI模式。在AWG A的波形下拉菜单中选择方波模式。在AWG B的模式下拉菜单中选择高阻抗模式。
      图5. 试验板RC电路图。
      图6. 试验板RC电路连接,R1 = 2.2 kΩ且C1 = 1 μF。
    3. ALICE曲线下拉菜单中选择显示CA-VCB-V。在触发器下拉菜单中选择CA-V和自动电平。调节时间基准,直到显示屏方格上大约可显示两个周期的方波信号。
      图7. 示波器配置。
      此配置使用示波器从通道A观察电路的输入,从通道B观察电路的输出。请确保您已勾选Sync AWG选择器。
    4. 针对以下三种情况观测电路的响应,并记录结果。

      1. 脉冲宽度 » 5 τ:设置AWG A输出的频率,使电容在每个 方波周期内有足够的时间完全充电和放电。令脉冲宽度为 15 τ,然后根据公式2设置频率。所得值应约为15 Hz。如果 可行,请根据屏幕上所得的波形确定出时间常数。如果难 以求得时间常数,请说明可能存在的原因。
      2. 脉冲宽度 = 5 τ:设置频率,使脉冲宽度 = 5 τ(该频率 应约为45 Hz)。由于脉冲宽度为5 τ,所以电容刚好能够 在每个脉冲周期内完全充电和放电(见图3和图4)。
        图8. 通过计算方波个数近似测量时间常数t。
      3. 脉冲宽度 « 5 τ:在此情况下,电容无法在切换到放电状 态前充分充电,反之亦然。对于此情况,令脉冲宽度仅为 1.0 τ,然后相应地设置频率。
    5. 采用R1 = 10 kΩ,C1 = 0.01 μF重复上述步骤,并记录测量结果。
  • 培训主题5:RL电路的瞬态响应

    目标:

    本实验活动的目标是通过脉冲波形研究串联RL电路的瞬态响应并了解时间常数的概念。

    背景:

    本实验活动与我们的另一个实验活动(活动4:RC电路的瞬态响应)类似,区别在于电容被电感取代。本实验将向RL电路施加一个方波,以分析该电路的瞬态响应。RL电路对电路时间常数的影响由与之相关的脉冲宽度决定。

    时间常数(τ):RC或RL电路中发生某些电压和电流变化所需的时间度量。一般而言,发生切换后经过的时间超过五倍时间常数(5τ)时,各电流和电压已达到最终值,此过程亦称为稳态响应。

    一个RL电路的时间常数等于其等效电感除以等效电感两端的戴维宁电阻。

    脉冲就是电压或电流从一个电平跳变到另一电平,然后又返回原来电平的过程。如果一个波形的高电平时间与其低电平时间相等,则称之为方波。每个脉冲序列循环的长度称为周期(T)。一个理想方波的脉冲宽度(tp)等于时间周期的一半。

    方波的脉冲宽度和频率之间的关系可表示为:

    图2. 串联RL电路。

    在RL电路中,电感两端的电压随着时间推移而减小,而在RC电路中,电容两端的电压随着时间推移而增大。因此,RL电路中的电流与RC电路中的电压具有相同的形式:它们均根据1 – e–(t × R/L)以指数方式上升到最终值。

    电感中电流的表达式为:

    其中V表示t = 0时电路上施加的源电压。该响应曲线呈递增趋势,如图3所示。

    图3. 串联RL电路中电感电流增大。

    (时间轴利用τ归一化)

    电感上的电流衰减表达式为:

    其中:

    I0 为t = 0时电感中储存的初始电流。

    L/R = τ为时间常数。

    该响应曲线是一个衰减式指数曲线,如图4所示。

    图4. 串联RL电路所用电感中的电流衰减。

    利用ALM1000可以直接测量通过电感的电流(由驱动源提供的电流),因此我们将测量并比较电流和电阻两端的输出电压。电阻波形应与电感电流相似,因为VR = I × LR。依据示波器上的波形,我们应能测量时间常数τ,它应该等于τ = L/RTOTAL

    这里,RTOTAL是总电阻,可以通过RTOTAL = R电感+ R来计算。

    "R电感"是测得的电感电阻值,其测量方法是在运行实验之前将电感连接到欧姆表。

    材料:

    • ADALM1000硬件模块
    • 一个电阻(220 Ω)
    • 一个电感(20 mH(两个10 mH串联))

    步骤:

    1. 利用欧姆表测量电感和电阻组合的电阻RTOTAL。您可以使用ALM1000欧姆表工具进行测量。请注意,当连接串联的L1和R1时,欧姆表工具测量相对于地的电阻。
    2. 在无焊试验板上搭建如图5所示的电路,使用的元件为R1 = 220 Ω,L1 = 20 mH。打开ALICE示波器软件。
      图5. 实验设置。
      图6. 试验板连接。
    3. 将通道A AWG最小值设为0.5 V,最大值设为4.5V,从而生成一个峰峰值为4 V,中心为2.5 V的方波,作为输入电压施加于电路。在AWG A模式下拉菜单中选择SVMI模式。在AWG A波形下拉菜单中选择方波。在AWG B模式下拉菜单中选择高阻抗模式。用公式2计算施加的频率,tp = 5τ。
    4. 在ALICE曲线下拉菜单中选择显示CA-VCA-ICB-V。在触发器下拉菜单中选择CA-V和自动电平。调节时间基准,直到显示屏方格上大约可显示两个周期的方波信号。
      图7. 示波器配置。

      此配置使得示波器可以查看通道A上电路的输入电压和电感中的电流,以及通道B上电路的输出电压。请确保已勾选Sync AWG选择器。

    5. VR波形与IL(t)波形形状相同。依据VR波形测量时间常数t,并将其与您从L/RTOTAL计算出的时间常数进行比较(提示:找到对应于0.63 VR值的时间)。详情参见"背景"部分。
    6. 观察电路响应并再次记录tp =25τ和tp =0.5τ时的结果。