WZMACNIACZ OPERACYJNY W UKŁADACH LINIOWYCH

Transkrypt

1 P.Rz. K.P.E. Laboratorium Elektroniki FD 003/0/0 WZMCNICZ OPERCYJNY W UKŁDCH LINIOCH. CEL ĆWICZENI Celem ćwiczenia jest ugruntowanie wiadomości dotyczących: elementarnej teorii sprzężenia zwrotnego, asymptotycznych charakterystyk częstotliwościowych układów wzmacniających i ich kształtowania, a także wskazanie istnienia wielu interesujących zastosowań wzmacniaczy operacyjnych.. WSTĘP W ćwiczeniu przedstawiono dwie grupy problemów, dotyczących zastosowań scalonych wzmacniaczy operacyjnych. Pierwsza z nich to podstawowe zagadnienia związane z kształtowaniem charakterystyk częstotliwościowych wzmacniaczy. Druga to możliwości wykorzystania wzmacniaczy operacyjnych do różnych celów w ramach liniowego przetwarzania sygnałów. W ćwiczeniu bada się kolejno dwa układy. Pierwszy z nich to wzmacniacz o jednobiegunowej charakterystyce dolnoprzepustowej, w którym m. in. mierzy się skończoną szybkość zmian napięcia wyjściowego (slow rate). Drugim badanym układem jest wzmacniacz o charakterystykach częstotliwościowych kształtowanych za pomocą zewnętrznych elementów RC lub też układ mający spełniać zadaną funkcję, np. sumowanie dwóch napięć. Wyboru rodzaju badanego układu dokonuje prowadzący. 3. OPIS TECHNICZNY WKŁDKI D04 Wkładka D04 zawiera wzmacniacz operacyjny µ 74 oraz zestaw dziewiętnastu odpowiednio rozmieszczonych i połączonych zacisków. Zaciski te umożliwiają dołączenie do wzmacniacza operacyjnego różnych elementów zewnętrznych: rezystorów, kondensatorów i zwór. Schemat ideowy układu przedstawiono na Rys.. Na rysunku zachowano rozmieszczenie zacisków takie samo, jak na płytce drukowanej (widok od strony elementów). Przełącznik suwakowy umożliwia dołączenie zacisku 3 do masy lub do wejścia odwracającego wzmacniacza operacyjnego. 3 4 WE WEac WEdc WE V US µ74-5v 8 9 R5 5 R3 4,7k R,k R,4k OSC 74 x x 0,5 R4 4,7k Rys.. Schemat ideowy części stałej układu badanego. Przerywanymi liniami połączono pary zacisków, pomiędzy które można dołączyć dodatkowe elementy Rezystory R i R zmniejszają wpływ kabli połączeniowych na działanie układu i wyniki pomiarów, natomiast rezystory R 3 i R 4 są dzielnikiem napięciowym niezbędnym dla dopasowania zakresu napięć wyjściowych układu badanego do zakresu dopuszczalnych napięć wejściowych na przykład przetwornika wartości szczytowej ac dc SN50. W zależności od przeprowadzanego eksperymentu, źródłami sygnałów sterujących układu badanego mogą być: generator sinusoidalny przestrajany SN03, generator impulsów prostokątnych SN30 lub

2 P.Rz. K.P.E. Laboratorium Elektroniki FD 003/0/0 regulowane źródło prądowe S. Płytę czołową wkładki D04 przedstawiono na Rys., a uproszczony schemat ideowy wzmacniacza µ 74- na Rys. 3. D 04 V+ inputs outputs x T8 T9 T T3 C x 0,5 WE+ T T WE- 30pF T6 nor ipe DC 3 74 osc T3 T4 T7 T5 T6 T0 39k 5,6UE T4 T5 T T7 k 50k k 5k 50k V- Rys..Płyta czołowa wkładki D04 µ74 Rys.3. Uproszczony schemat ideowy wzmacniacza operacyjnego 4. KZ PRTURY POMOCNICZEJ Do wykonania ćwiczenia potrzebne są następujące przyrządy pomocnicze: - generator sinusoidalny przestrajany SN03, - generator impulsów prostokątnych SN30, - regulowane źródło prądowe S, - przetwornik wartości szczytowej ac dc SN50 lub SZ503, - przetwornik kąt napięcie S5, - przełącznik dwukanałowy dc S40, - przełącznik czterokanałowy ac SN4, - oscyloskop dwukanałowy 5. OLICZENI WSTĘPNE I PROJEKTOWE 5.. Zaprojektowanie pierwszego badanego wzmacniacza polega na obliczeniu wartości rezystorów dołączonych następnie do zacisków płytki drukowanej tak, aby wzmocnienie napięciowe układu, dla częstotliwości bliskich zeru, było równe dwom (jednej dodatniej i jednej ujemnej), dowolnie wybranych z Tablicy.. wartości. Rezystancja wejściowa zaprojektowanego wzmacniacza oraz drugiego badanego układu nie może być mniejsza niż kω. Tablica Wartości wzmocnienia układu badanego k U0 [V/V] Zakładając, że w układzie badanym wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego dla składowej stałej i z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego wynosi ± 0%, a częstotliwość bieguna dominującego 5Hz ± 0%, należy określić zakres częstotliwości, w którym powinna zawierać się górna częstotliwość graniczna f g3d wzmacniacza określonego w p Zaproponować schemat ideowy oraz obliczyć wartości elementów dyskretnych wzmacniacza o asymptotycznej charakterystyce amplitudowej wybranej dowolnie spośród zamieszczonych na Rys.4. Narysować przewidywaną asymptotyczną charakterystyką fazową.

3 P.Rz. K.P.E. Laboratorium Elektroniki FD 003/0/0 5.4 Zaproponować schemat ideowy oraz obliczyć wartości elementów dyskretnych, aby otrzymać dwa z niżej wymienionych układów: a) integrator przetwarzający fale prostokątną o amplitudzie 5V współczynniku wypełnienia około 0, i okresie równym 0,5 ms na napięcie trójkątne o wartości międzyszczytowej V. Źródłem sygnału sterującego spełniającego warunki przedstawione powyżej jest generator impulsów prostokątnych SN30; b) sumator dwóch napięć spełniający zależność: U wy = -(0,5U we + 3U we ) a) b) k u [V/ V] ,0 0, , c) d) , ,0 0, e) f) , , 5 00 g) h) Rys.4. symptotyczne - - 0,0 0, charakterystyki amplitudowe założenia do projektowania wzmacniaczy. Nachylenia odcinków charakterystyk wynoszą: 0 d/dek, lub +0 d/dek, albo 0 d/dek 0,

4 P.Rz. K.P.E. Laboratorium Elektroniki FD 003/0/0 c) przetwornik prąd napięcie, spełniający (co do wartości) zależność : U wy = -000I we dla I we (0, +0 m) d) przetwornik prąd napięcie, spełniający (co do wartości) zależność: U wy = -500I we dla I we (-0m, +0m) e) wzmacniacz o wzmocnieniu regulowanym płynnie w zakresie wartości od do +; f) przesuwnik fazy sygnału sinusoidalnego, o regulowanym płynnie przesunięciu fazy między napięciami na jego wejściu i wyjściu. Minimalny zakres regulacji od 5 do 75. Częstotliwość sygnału khz; g) wzmacniacz różnicowy o wzmocnieniu różnicowym wynoszącym. Konfigurację każdego układu należy zaprojektować tak, aby był on realizowalny na wkładce D OSERWCJE I POMIRY 6..POMIRY CHRKTERYSTYK WZMCNICZ OPERCYJNEGO Z REZYSTNCYJNYM OWODEM SPRZĘŻENI ZWROTNEGO Po wmontowaniu kolejno, obliczonych wg. danych z punktu 5 rezystorów, na płytkę drukowaną wkładki D04, należy zmierzyć charakterystyki częstotliwościowe (amplitudową k U (f) i fazową ϕ(f)) wzmacniacza. Wykorzystać do tego celu generator sinusoidalny przestrajany SN03 oraz przetworniki: wartości szczytowej ac dc SN50 lub SZ503 oraz kąt napięcie S5 lub oscyloskop dwukanałowy. Wartość amplitudy napięcia wejściowego generatora ustalić i zmierzyć przed pomiarem charakterystyki. Należy pamiętać (patrz p. 3), że przetworniki pracują poprawnie wtedy, gdy amplitudy napięć na ich wejściach nie przekraczają 5V. Trzeba, więc tak dobrać warunki pomiarów, aby omawianą charakterystykę oraz inne, badane w dalszej kolejności można było zmierzyć prawidłowo. W tym celu należy m.in. odpowiednio wykorzystać możliwości, wynikające z istnienia dzielników napięcia na wyjściach generatora sinusoidalnego SN03 i układu badanego. Schematy połączeń układu pomiarowego w tym eksperymencie mogą się nieco różnić w zależności od tego, które wejścia i wyjścia wkładki D04 oraz jaka aparatura pomocnicza zostanie wykorzystana. Przykładowy schemat przedstawiono na Rys.5. przetw. kąt - nap. S5 przeł. dc S40 Cz.C. przeł. ac SN4 C generator SN03 V 0,V ukł. bad. D04 x x0,5 74 Przetw. C/DC SN 50 WE Oscyloskop D 3 osc wyzw. V. C. Rys.5. Przykładowy schemat połączeń układu do pomiarów charakterystyk częstotliwościowych wzmacniaczy. 6..POMIR MKSYMLNEJ SZYKOŚCI ZMIN NPIĘCI JŚCIOWEGO Zmierzyć, korzystając z oscyloskopu, maksymalną szybkość zmian napięcia wyjściowego we wzmacniaczu badanym w punkcie 6.. Do wysterowania układu należy użyć generatora impulsów prostokątnych SN POMIR CHRKTERYSTYK WZMCNICZ KSZTŁTOWNYCH Z POMOCĄ ELEMENTÓW R, C WŁĄCZONYCH W OWÓD SPRZĘŻENI ZWROTNEGO Zmontować układ badany obliczony wg. danych zawartych na Rys.4, a następnie zmierzyć jego charakterystykę k u (f) amplitudową i fazową ϕ(f). 4

5 P.Rz. K.P.E. Laboratorium Elektroniki FD 003/0/ POMIRY WŁŚCIWOŚCI UKŁDU O ZDNYM ZSTOSOWNIU Zmontować wybrany i obliczony uprzednio układ oraz sprawdzić, czy spełnia zadaną funkcję. W przypadku niepowodzenia należy układ korygować, aż do osiągnięcia założonego celu. 7. OPRCOWNIE NIKÓW. Porównać wyniki obliczeń i pomiarów. W komentarzu skorzystać z charakterystyk wzmacniacza operacyjnego µ74 zawartych w dodatku; (patrz p. 6..). Wyjaśnić, czy w czasie pomiaru charakterystyki częstotliwościowej wystąpiło ograniczenie szybkości zmian napięcia wyjściowego (patrz p. 6..) 3. Porównać zmierzoną wartość maksymalnej szybkości zmian napięcia wyjściowego badanego wzmacniacza z danymi katalogowymi układu scalonego µ74. Wyjaśnić ewentualne różnice (patrz p. 6..) 4. Wyjaśnić, czy maksymalna szybkość zmian napięcia wyjściowego zależy od wartości wzmocnienia układu ze wzmacniaczem scalonym (patrz p. 6..). 5. Porównać wyniki pomiarów z założeniami projektowymi i wyjaśnić ewentualne niezgodności (patrz p. 6.3.). 6. Opisać, w jaki sposób sprawdzono właściwości badanego układu (patrz p. 6.3.). 5