Zastosowania nieliniowe wzmacniaczy operacyjnych

Transkrypt

1 UKŁADY ELEKTRONICZNE Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych Zastosowania nieliniowe wzmacniaczy operacyjnych Laboratorium Układów Elektronicznych Poznań 2008

2 1. Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z typomi zastosowaniami scalonych wzmacniaczy operacyjnych. Zakres ćwiczenia obejmuje badanie działania branych układów o nieliniowej charakterystyce dynamicznej, w której są korzystane wzmacniacze operacyjne. 2. Wprowadzenie Układ z korzystaniem wzmacniacza operacyjnego o nieliniowej charakterystyce dynamicznej tworzy się przez korzystanie elementów nielinioch takich jak warystor, dioda czy tranzystor w obwodzie ujemnego sprzężenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego. Charakterystyka dynamiczna takiego układu jest uzależniona od charakterystyk prądowo-napięcioch elementów ujemnego sprzężenia zwrotnego W większości przypadków sygnał wejścio jest podany na wejście odwracające wzmacniacza operacyjnego. W pierwszym przypadku (rys.1a) element nielinio jest zasilany napięciem wejściom u = uwe, natomiast napięcie jściowe jest proporcjonalne do prądu płynącego przez ten element, Charakterystyka dynamiczna układu (rys. 1a) jest określona wzorem: u ( u ) = R i = R g( u) = R g( u ) = f (1) we we Rys.1a Schemat ideo wzmacniacza nieliniowego element nielinio zasilany napięciowo W drugim przypadku element nielinio jest zasilany prądem sterowanym przez napięcie wejściowe układu, oraz u = u. Charakterystyka układu (rys. 1b) jest określona wzorem: 1 1 uwe ( ) ( ) u = = = = f uwe u h i h (2) R2 Rys.1b Schemat ideo układu nieliniowego element nielinio zasilany prądowo 2

3 Interesującym przykładem zastosowania wzmacniaczy operacyjnych w układach nielinioch jest układ do detekcji wartości maksymalnej sygnału zwany detektorem szczytu. W przeciwieństwie do poprzednio przedstawionym przykładów, sygnał wejścio jest na wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego (rys.2). W momencie, gdy napięcie wejściowe układu ma wartość dodatnie (przy założeniu, że kondensator C jest rozładowany), napięcie jściowe wzmacniacza operacyjnego przyjmuje wartość w pobliżu dodatniego napięcia zasilającego układ jest w stanie nasycenia. Kondensator C jest ładowany przez diodę D spolaryzowaną w kierunku przewodzenia, przy czym o wartości stałej czasowej ładowania decyduje niewielka w porównaniu z rezystorem R rezystancja dynamiczna diody. Kondensator ładuje się w czasie narastania napięcia wejściowego tzn. wtedy, gdy wartość napięcia wejściowego przekracza napięcie na kondensatorze. Podczas spadku wartości sygnału wejściowego układ nasyca się w pobliżu ujemnego napięcia zasilającego. Dioda D jest spolaryzowana zaporowo i ma bardzo dużą w porównaniu z rezystorem R rezystancję dynamiczną. Kondensator rozładowuje się przez rezystor R. Rys.2 Schemat ideo układu podstawowego detektora szczytu 3. Badanie wzmacniacza prostującego sygnał 3.1 Zestaw pomiaro Wirtualny wzmacniacz operacyjny TL071ACD, Wirtualne diody 1N4150, Wirtualne rezystory, Wirtualne źródła zasilania DC, Wirtualny generator sygnału, Wirtualny miernik częstotliwości, Wirtualny oscyloskop. 3.2 Przebieg ćwiczenia 1. Uruchomić program MULTISIM i złożyć układ symulacyjny do badania wzmacniacza prostującego sygnał (rys.3) kierując się wskazówkami prowadzącego. 2. Uaktywnić generator XFG1 podwójnym kliknięciem na obiekt, ustawić generację sygnału trójkątnego (przycisk boru) o parametrach: 100 Hz, 5V. Uruchomić symulację. 3. Uaktywnić miernik częstotliwości XFC1 (czułość miernika ustawić na wartość 10 mv) oraz oscyloskop XSC1. Zmierzyć częstotliwość sygnału. Ustawić oscyloskop w trybie pracy XY (A/B) przy pozostałych nastawach ustalonych z prowadzącym. Zaobserwować przebieg funkcji generowanej przez układ. 3

4 4. Zaobserwować przebiegi charakterystyk dynamicznych układu prostującego sygnał trójkątny dla częstotliwości równych: 1kHz oraz 10 khz (przed zmianą częstotliwości łączyć symulację). Rys.3 Schemat układu symulacyjnego do badania wzmacniacza prostującego sygnał 4. Badanie wzmacniacza generującego funkcję nieliniową 4.1 Zestaw pomiaro Wirtualny wzmacniacz operacyjny TL072ACP, Wirtualne diody Zenera 1N4370A, Wirtualne rezystory, Wirtualne źródła zasilania DC, Wirtualny generator sygnału, Wirtualny miernik częstotliwości, Wirtualny oscyloskop. 4.2 Przebieg ćwiczenia 1. Złożyć układ symulacyjny do badania wzmacniacza generującego funkcję nieliniową wariant 1 (rys.4a) kierując się wskazówkami prowadzącego. 2. Uaktywnić generator, ustawić generację sygnału trójkątnego przy parametrach: 1 khz, 2V. Uruchomić symulację. 3. Uaktywnić oscyloskop i miernik częstotliwości (czułość miernika ustawić na wartość 10 mv). Zmierzyć częstotliwość sygnału. Za pomocą kursorów w oscyloskopie (ustalić z prowadzącym) zmierzyć zakresy liniowej pracy wzmacniacza. Obliczyć wzmocnienie układu dla zmierzonych zakresów według wzoru: k u u = (3) u 4. Złożyć układ symulacyjny do badania wzmacniacza generującego funkcję nieliniową wariant 2 (rys.4b). we 4

5 5. Uaktywnić generator, ustawić generację sygnału trójkątnego o parametrach: 1 khz, 2V. Uruchomić symulację. 6. Powtórzyć polecenie z p.3. Rys.4a Schemat układu symulacyjnego do badania wzmacniacza generującego funkcję nieliniową wariant 1 Rys.4a Schemat układu symulacyjnego do badania wzmacniacza generującego funkcję nieliniową wariant 2 5

6 5. Badanie detektora szczytu sygnału 5.1 Zestaw pomiaro Wirtualny wzmacniacz operacyjny TL072ACP, Wirtualne diody 1N4150, Wirtualny rezystor i potencjometr, Wirtualny kondensator Wirtualne źródła zasilania DC, Wirtualny generator sygnału, Wirtualny miernik częstotliwości, Wirtualne multimetry, Wirtualny oscyloskop. 5.2 Przebieg ćwiczenia 1. Złożyć układ symulacyjny do badania detektora szczytu sygnału (rys.5). 2. Uaktywnić generator, ustawić generację sygnału sinusoidalnego o parametrach: 1 khz, 5V. Uruchomić symulację. 3. Uaktywnić miernik częstotliwości (czułość miernika ustawić na wartość 10 mv), multimetry oraz oscyloskop. Zmierzyć częstotliwość sygnału. Ustawić przyciskiem Shift A położenie suwaka potencjometru w pozycji 0%. Naciskając przycisk A zmieniać skokowo położenie suwaka potencjometru R 1 w całym zakresie jego rezystancji (skok 5%). 4. Dla każdego położenia suwaka potencjometru obliczyć stałą czasową rozładowania kondensatora, obserwować przebiegi sygnałów wejściowego i jściowego, odczytać wartości składowej stałej i zmiennej sygnału jściowego z multimetru XMM2 (przełączać pomiędzy trybem DC i AC). Dla każdej stałej czasowej rozładowania kondensatora obliczyć u AC współczynnik tętnień detektora szczytu według wzoru: w = u DC 6 Rys.5 Schemat układu symulacyjnego do badania detektora szczytu sygnału

7 6. Sprawozdanie W sprawozdaniu należy zamieścić: tabele ników pomiaroch, kresy mierzonych zależności, interpretacje uzyskanych ników i wnioski. Literatura M. Nadachowski, Z. Kulka: Analogowe Układy Scalone, WKiŁ, W-wa, 1980 P. Horowitz, W. Hill: Sztuka Elektroniki, tom 1, WKiŁ, W-wa, 1995 P. Górecki: Wzmacniacze operacyjne, WNT, 2002 U.Tietze, Ch.Schenk: Układy półprzewodnikowe, WNT