Ćwiczenie nr 8. Podstawowe czwórniki aktywne i ich zastosowanie cz. 1

Transkrypt

1 Ćwiczenie nr Podstawowe czwórniki aktywne i ich zastosowanie cz.. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze sposobem realizacji czwórników aktywnych opartym na wzmacniaczu operacyjnym µa, ich własnościami oraz pomiarem podstawowych parametrów. Do badań zostały wybrane następujące czwórniki: źródła sterowane (ZNSN, ZNSP, ZPSN, ZPSP), żyrator, konwertor ujemnoimpedancyjny (NIC).. Program badań. Źródła sterowane Wyróżniane są cztery rodzaje źródeł sterowanych: ZNSN źródło napięcia sterowane napięciem ZNSP źródło napięcia sterowane prądem ZPSN źródło prądu sterowane napięciem ZPSP źródło prądu sterowane prądem Program badań przewiduje badanie zależności wielkości wyjściowej (napięcia lub prądu) od wielkości sterującej (też napięcia lub prądu). Do wykonania poniższych pomiarów należy użyćgeneratora przebiegów sinusoidalnych, rezystory dekadowe oraz oscyloskop. Należy wykonać dwie serie pomiarów: pierwszą do wyznaczenia współczynnika k w zależności od wartości napięcia sterującego, a drugą do wyznaczenia zależności k od wartości rezystancji znajdującej się w pętli sprzężenia zwrotnego. Wyniki pomiarów należy umieścić w tabelach. Źródło napięcia sterowane napięciem (ZNSN) Źródło napięcia sterowane napięciem (ZNSN) jest charakteryzowane przez równanie: U = ku Na poniższym rys.. przedstawione zostało to źródło w sposób symboliczny. I I U U ZNSN ys... Źródło napięcia sterowane napięciem Na rys..a przedstawiono schemat ZNSN o współczynniku k ujemnym k = f, natomiast na rysunku.b schemat ZNSN o k dodatnim, gdzie: k = f

2 ys... Schemat źródła napięcia sterowanego napięcia: a) o współczynniku k ujemnym, b) o współczynniku k dodatnim 0 00 k 0k 00k Hz 0, 0,0 Siec Generator Funkcjii TYP G Składowa stała Amplituda 0 0 max Vpp MEA TONIK UKŁADY AKTYWNE IETiME PW ys... Schemat układu pomiarowego do badania źródła napięcia sterowanego napięciem (ZNSN) Wyniki pomiarów należy umieścić w następujących tabelach: Tabela. Tabela. f = = kω f = kω U = V = kω U U k (U /U ) f U k ( f / ) k (U /U )

3 [V] [V] [kω] [V] Średnio k Do tabeli. wpisujemy wartość napięcia sterującego (wejściowego) i odpowiadającą mu wartość napięcia wyjściowego. Następnie oblicza się wzmocnienie k i średnie wzmocnienie będące średnią algebraiczną powyższych. Na podstawie tej tabeli należy wykreślić zależność U od U. Do tabeli. wpisujemy zmiany napięcia wyjściowego w zależności od wartości rezystora f. Następnie wyliczamy wzmocnienie dwoma metodami używając używając: a) wartości rezystancji, b) wartości napięć. Na podstawie tej tabeli należy wykreślić zależność U = f(u ). Źródło prądu sterowane napięciem (ZPSN) Na rys..a przedstawiono układ realizujący, to źródło ze współczynnikiem g ujemnym, g = /, natomiast na rys..b schemat źródła o współczynniku g dodatnim, g = /. a) b) I U _ = WE U U = WE U _ I ys... Schemat źródła prądu sterowanego napięciem (ZPSN): a) o współczynniku ujemnym, b) o współczynniku dodatnim Można udowodnić, obliczając wartość I w obwodzie, że prąd I nie zależy od obciążenia, a więc spełnia warunek źródła prądowego i jest wprost proporcjonalny do napięcia wejściowego, tj. I = U / przy założeniu, że wartość tego prądu nie przekracza prądu maksymalnego wzmacniacza (około ma). W podobny sposób działa układ przedstawiony na rys..b.

4 0 00 k 0k 00k Hz 0, 0,0 Siec Generator Funkcjii TYP G Składowa stała Amplituda 0 0 max Vpp MEA TONIK UKŁADY AKTYWNE A IETiME PW ys... Schemat układu pomiarowego do badania źródła prądu sterowanego napięciem (ZPSN) Wyniki pomiarów należy umieścić w tabelach. Tabela. Tabela. = = kω U I g=i /U I [V] [µa] [µs] [Ω] [µa] Do tabeli. wpisujemy wartości napięcia sterującego i odpowiadającą wartość prądu wyjściowego. Następnie należy obliczyć susceptancję i wykonać wykres zależności I od U. Do tabeli. wpisujemy wartości rezystancji i odpowiadające wartości prądu. Na podstawie tej tabeli wykonać należy wykres zależności I od.

5 Źródło napięcia sterowane prądem (ZNSP) Najprostsze rozwiązanie układowe tego źródła przedstawiono na rysunku.. Prąd I przepływając przez rezystancję we i f wytwarza napięcie wyjściowe U wy = f I, skąd współczynnik sterowania r = f. ys... Schemat źródła napięcia sterowanego prądem Wyniki pomiarów należy umieścić w tabelach. Tabela. Tabela. f = we = kω I = µa I U f U r =U /I [µa] [V] [kω] [V] [kω] Do tabeli. wpisujemy zmianę prądu sterującego i odpowiadającą temu zmianę napięcia wyjściowego. Na podstawie tej tabeli należy wykreślić zależność U =f(i ). Do tabeli. należy (przy danym prądzie sterującym) wpisać poszczególne wartości rezystora f i odpowiadające im poszczególne napięcie wyjściowe. Na podstawie tej tabeli należy wykreślić zależność napięcia wyjściowego od wartości rezystora f.. Badanie żyratora Praktyczny sposób realizacji żyratora przedstawiono na rys... Impedancja wejściowa Z we żyratora obciążonego impedancją Z 0 jest: U ri rr z Zwe = = = = (.0) I U Z0 Z0 r gdzie z = rr tzw. stała żyracji.

6 ys... Schemat praktycznej realizacji żyratora W praktycznych zastosowaniach r =r = ż. Żyrator jest czwórnikiem nieodwracalnym, dlatego też istotne jest zaznaczenie kierunku żyracji. Żyrator obciążony pojemnością C realizuje indukcyjność uziemioną widzianą z zacisków wejściowych żyratora o impedancji: Zwe = scz = sl L = z C (.) i z tego powodu znajduje zastosowanie w układach rezonansowych C. Schemat takiego układu przedstawiono na rys... Częstotliwość rezonansową tego obwodu wyznaczamy z zależności: ω 0 = = = (.) LC CC C z z Przyjmując równe pojemności C = C = C, otrzymujemy obwód o dobroci Q. ys... Obwód rezonansowy zrealizowany przy użyciu żyratora

7 0 00 k 0k 00k Hz 0, 0,0 Siec Generator Funkcjii TYP G Składowa stała Amplituda 0 0 max Vpp MEA TONIK A C =0, µ F ŻYATO WE WY C =0, µ F IETiME PW ys... Schemat układu pomiarowego do badania żyratora Wyniki pomiarów należy umieścić w tabeli.. Tabela. f U I Z we z L= ż C [Hz] [V] [ma] [Ω] [Ω] [H] Do tabeli. należy wpisywać częstotliwość (proponujemy zrobić to za pomocą oscyloskopu gwarantuje to niezłą dokładność), napięcie wejściowe (wartość skuteczną) i wartość skuteczną

8 prądu wejściowego. Następnie należy wykonać obliczenia i wpisać do tabeli. Na podstawie tabeli należy wykreślić następujące zależności U =f(i ), ż =f(z we ) i L w funkcji częstotliwości.. Konwerter ujemnoimpedancyjny (NIC) NIC można zrealizować w sposób pokazany na rys..0 za pomocą dwóch rezystorów i wzmacniacza operacyjnego. ys... ealizacja konwertera NIC: a) schemat realizacji praktycznej, b) schemat zastępczy Praktyczna realizacja NIC na wzmacniaczu operacyjnym spełnia równanie (.) z pewnym przybliżeniem w ograniczonym zakresie częstotliwości i wartości rezystorów. Jest to spowodowane głównie skończoną wartością wzmocnienia wzmacniacza operacyjnego zależną od częstotliwości. Za pomocą NIC można realizować ujemne wartości elementów: C, L i. Układ pokazany na rys.. pozwala zmierzyć stałą konwersji k. ys... Układ do pomiaru stałej konwersji i realizacji rezystancji ujemnej Obciążenie 0 musi spełniać warunek k 0 <. Taki układ przedstawia sobą dwójnik rezystancyjny o rezystancji = k 0. Przez pomiar napięć i prądów znajdujemy wartość i na tej podstawie, znając 0 i, wyznaczamy stałą konwersji k. Najprościej jest zasilić badany układ napięciem sinusoidalnym o amplitudzie V i przykładowej częstotliwości khz. ezystancję 0 przyjąć kω zaś = kω, badany układ będzie reprezentował sobą rezystancję kω, co dowodzi prawidłowej pracy konwertera NIC.

9 0 00 k 0k 00k Hz 0, 0,0 Siec Generator Funkcjii TYP G Składowa stała Amplituda 0 0 max Vpp MEA TONIK A NIC WE NIC WY IETiME PW ys... Schemat pomiarowy do badania konwertera ujemno impedancyjnego (NIC). Opracowanie wyników pomiarów Uzyskane wyniki pomiarowe z badania źródeł sterowanych przestawić w postaci wykresów porównując z danymi teoretycznymi. Przy badaniu żyratora określić stałą żyracji i zrealizowaną indukcyjność. Dla inwertora ujemno impedancyjnego określić stałą konwersji.