Politechnika Białostocka

Transkrypt

1 Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Automatyki i Elektroniki Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu: ELEKTRONIKA EKS1A Zastosowania wzmacniaczy operacyjnych w układach nieliniowych Białystok

2 1. Cel ćwiczenia - praktyczne zapoznanie się z metodami wykorzystania wzmacniaczy operacyjnych do realizacji układów nieliniowych, - doświadczalna weryfikacja parametrów zaprojektowanego układu, - opanowanie metod uruchamiania układu oraz korygowania jego parametrów. 2. Opisy badanych układów Układy wykorzystujące dwójnik o nieliniowej charakterystyce prądowo-napięciowej Niektóre układy o prostych charakterystykach nieliniowych można zrealizować wykorzystując dwójnik o nieliniowej charakterystyce prądowonapięciowej. Rozważmy układ przedstawiony na rys. 1. Załóżmy, że charakterystyka prądowo-napięciowa dwójnika nieliniowego opisana jest następującymi funkcjami: U x = f rx (I x ) oraz I x = f gx (U x ), gdzie funkcje f rx i f gx są wzajemnie odwrotne. Rys. 1 Jeśli wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego jest dostatecznie duże, spełniony jest warunek U 1 0. Wówczas prawdziwe są równania: U wy = U x = f rx (I x ) oraz U we = U R1, a jeśli założymy, że wejście wzmacniacza operacyjnego nie pobiera prądu, to oczywiście musi być spełniony warunek: I R1 = -I x. Napięcie wejściowe jest związane z prądem I R1 zależnością: U we = R 1 I R1, czyli U we = -R 1 I x, z czego wynika, że I x = -U we /R 1. Ostatecznie otrzymujemy zależność: U wy = -f rx (U we /R 1 ). Czyli charakterystyka przejściowa ma taki sam kształt jak charakterystyka prądowo-napięciowa dwójnika X 1. W podobny sposób możemy uzyskać układ o charakterystyce przejściowej, odpowiadającej charakterystyce napięciowo-prądowej dwójnika nieliniowego X 2 (rys.2.). Załóżmy, jak poprzednio, że dwójnik nieliniowy X 2 jest opisany charakterystykami: U x = f rx (I x ) oraz I x = f gx (U x ). Stosując analogiczne założenia i przekształcenia otrzymamy zależność U wy = -R 2 f gx (U we ). Jednak w ten sposób zrealizowany układ ma niepożądaną właściwość - jego rezystancja wejściowa jest nieliniowa (rezystancja wejściowa układu Rys. 2 przedstawionego na rys.1. jest stała i równa R 1 ). W obu prezentowanych układach rezystancja "widziana" z wejścia odwracającego wzmacniacza operacyjnego ma charakter nieliniowy, w związku z czym efektywna kompensacja prądów wejściowych wzmacniacza może nastręczać trudności. 2

3 Ograniczanie napięcia na wyjściu wzmacniacza W przypadku dyskryminatorów możemy uzyskać żądaną charakterystykę wykorzystując wzmacniacz operacyjny pracujący bez sprzężenia zwrotnego, jedynie ograniczając napięcie wyjściowe za pomocą diody Zenera. Jeśli chcemy wykorzystać taki układ, pamiętajmy o wprowadzeniu rezystora R ograniczającego prąd wyjściowy wzmacniacza (rys.3.). Większość wzmacniaczy operacyjnych posiada wewnętrzne zabezpieczenie przed zwarciem wyjścia, więc jest możliwe pominięcie rezystora zabezpieczającego. W takim przypadku należy Rys. 3 zastanowić się, czy nie ma niebezpieczeństwa przegrzania diody lub wzmacniacza. Musimy mieć również świadomość, że w takim układzie wzmacniacz operacyjny nasyca się, co wpływa niekorzystnie na szybkość działania układu. Jeśli do realizacji układu potrzebne jest źródło napięcia stałego o określonej wartości, możemy wykorzystać odpowiedni dzielnik rezystancyjny (jeśli da się go zmontować na używanej makiecie), albo zasilacz laboratoryjny. 3. Opis makiety laboratoryjnej Uniwersalna makieta laboratoryjna (rys. 4, 5) pozwala na badanie układów ze wzmacniaczem operacyjnym. Wzmacniacz może pracować ze sprzężeniem zwrotnym ujemnym lub/i dodatnim albo bez sprzężenia zwrotnego. Rys. 4 Widok makiety laboratoryjnej do badania układów nieliniowych ze wzmacniaczami operacyjnymi. 3

4 Makieta zawiera podstawkę do układów scalonych DIP8, w której należy umieścić wzmacniacz operacyjny (np. TL081), złącza typu WAGO z przyciskami i zaciskami sprężynowymi, które pozwalają na umieszczenie potrzebnych elementów (diody, rezystory, kondensatory, zworki) oraz gniazda BNC i gniazda bananowe, służące do doprowadzenia zasilania oraz sygnałów. Rys. 5 Schemat ideowo - montażowy makiety, z zachowaniem rozmieszczenia elementów. 4. Układy do realizacji Uwaga! Wartość rezystancji wejściowej projektowanych układów nie może być mniejsza niż 1 kω. 1. Dyskryminator progowy (detektor przejścia przez zero) o charakterystyce statycznej jak na rys. 6. Wymagana jest realizacja z elementem nieliniowym umieszczonym w pętli sprzężenia zwrotnego. Rys. 6 4

5 2. Dyskryminator progowy (detektor przejścia przez zero) o charakterystyce statycznej jak na rys. 7. Wymagana jest realizacja z elementem nieliniowym umieszczonym w pętli sprzężenia zwrotnego. Rys Dyskryminator progowy o charakterystyce statycznej jak na rys. 8. Rys Dyskryminator okienkowy o charakterystyce statycznej jak na rys. 9. Rys Dyskryminator progowy z histerezą o charakterystyce statycznej jak na rys. 10. Rys. 10 5

6 6. Ogranicznik napięcia o charakterystyce statycznej jak na rys. 11. Rys Dwustronny ogranicznik napięcia o charakterystyce statycznej jak na rys. 12. Rys Ogranicznik napięcia (funkcjonalnie prostownik jednopołówkowy) o charakterystyce statycznej jak na rys. 13. Rys Ogranicznik napięcia (funkcjonalnie prostownik jednopołówkowy) o charakterystyce statycznej jak na rys. 14. Rys. 14 6

7 10. Układ kształtujący sygnał o charakterystyce statycznej jak na rys. 15. Rys Prostownik dwupołówkowy o wzmocnieniu 1 V/V - charakterystykę statyczną przedstawiono na rys. 16. Rys Wzmacniacz o logarytmicznej charakterystyce statycznej danej wzorem: U wy =A ln(u we /B), gdzie A i B są stałymi współczynnikami dodatnimi o wymiarze napięcia. Wartość rezystancji wejściowej układu nie może być mniejsza niż 10 kω. Układ ma pracować poprawnie dla napięć wejściowych zmieniających się w zakresie od 0,1V do 10V. 13. Wzmacniacz o wykładniczej charakterystyce statycznej danej wzorem: U wy =A exp(u we /B), gdzie A i B są stałymi współczynnikami dodatnimi o wymiarze napięcia. Rezystancja wejściowa układu nie może być mniejsza niż 10 kω, napięcie wejściowe dodatnie. 14. Generator fali trójkątnej o częstotliwości 5 khz, wartości międzyszczytowej napięcia wyjściowego równej 6V, wartości średniej napięcia wyjściowego równej 0 V. 5. Sprzęt niezbędny do wykonania ćwiczenia makieta laboratoryjna oscyloskop cyfrowy generator funkcyjny zasilacz laboratoryjny multimetry 7

8 6. Przygotowanie do pracy w laboratorium (część projektowa ćwiczenia) 6.1 Z poniższej tabeli, na podstawie numeru zespołu laboratoryjnego, wybierz układy do realizacji. 6.2 Zaprojektuj układy, realizujące zadane funkcje nieliniowe. Zastanów się nad rozmieszczeniem poszczególnych elementów na makiecie laboratoryjnej. 6.3 Opisz zasadę działania zaprojektowanego układu i przewidywane błędy realizacji założonej funkcji nieliniowej wraz z ich przyczynami. 6.4 Wyjaśnij wpływ poszczególnych elementów na kształt charakterystyki. Tabela 1. Zestawienie zadań projektowych dla poszczególnych zespołów laboratoryjnych Numer zespołu Numery układów 1, 5, 8, X 6, 9, 11, X 4, 7, 14, X gdzie X oznacza dowolny układ spoza wyznaczonych dla danego zespołu. 7. Praca w laboratorium (część doświadczalna ćwiczenia) 7.1 Zbuduj pierwszy zaprojektowany przed zajęciami układ nieliniowy. 7.2 Dokonaj pomiaru charakterystyki układu metodą oscyloskopową (preferowane) lub metodą punkt po punkcie. W przypadku wybrania metody oscyloskopowej wykorzystaj przebieg trójkątny lub sinusoidalny o niskiej częstotliwości ( Hz) i odpowiednio dobranej amplitudzie oraz oscyloskop pracujący w trybie X-Y. Zarejestruj uzyskane charakterystyki. 7.3 Zarejestruj przebiegi napięcia wejściowego i wyjściowego. 7.4 Sprawdź wpływ częstotliwości przebiegu (1kHz, 5kHz, 15kHz) na kształt charakterystyk. Zarejestruj uzyskane charakterystyki. 7.5 Zastanów się, jakie są przyczyny obserwowanych zniekształceń charakterystyki. Spróbuj uzasadnić obserwowane efekty przyjmując, że typowa wartość "slew-rate" dla wzmacniacza TL081 jest rzędu 13V/µs, zaś dla ua741 jest rzędu 0,5 V/µs. Uwzględnij pojemności diod półprzewodnikowych. 8. Literatura 1. Baranowski J., Czajkowski G. Układy elektroniczne, cz. II - Układy analogowe nieliniowe i impulsowe, WNT, Górecki P. Wzmacniacze operacyjne, Wydawnictwo BTC, Horowitz P., Hill W. Sztuka elektroniki, WKiŁ,