Temat ćwiczenia: Wyznaczanie charakterystyk częstotliwościowych podstawowych członów dynamicznych realizowanych za pomocą wzmacniacza operacyjnego

Transkrypt

1 Automatyka i pomiar wielkości fizykochemicznych ĆWICZENIE NR 3 Temat ćwiczenia: Wyznaczanie charakterystyk częstotliwościowych podstawowych członów dynamicznych realizowanych za pomocą wzmacniacza operacyjnego Cel ćwiczenia: Umiejętność wyznaczania i analizy częstotliwościowych charakterystyk amplitudowych i fazowych podstawowych członów dynamicznych zrealizowanych za pomocą wzmacniaczy operacyjnych oraz elementów RLC. Zagadnienia do kolokwium: Podstawowe człony dynamiczne (proporcjonalny, całkujący, różniczkujący). Transmitancja widmowa. Charakterystyki częstotliwościowe (amplitudowa i fazowa). Wzmacniacze operacyjne integrator (wzmacniacz całkujący) oraz wzmacniacz różniczkujący. Oscyloskop, oscyloskop cyfrowy. Literatura: 1. W. Kramarek, P. Szulewski, Laboratorium podstaw automatyki i sterowania, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2012; str A. Urbaniak, Podstawy automatyki, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań S. Węgrzyn, Podstawy automatyki, PWN, Warszawa Z. Kulesza, A. Mystkowski, F. Siemieniako, Ćwiczenia z automatyki. Symulacja elementów i układów, Wyd. Politechniki Białostockiej, M. Nadachowski, Z. Kulka, Analogowe układy scalone, WKŁ, Warszawa 1983; str J. Grzelka, E. Mazur, M. Gruca, W. Tutak, Miernictwo i systemy pomiarowe.laboratorium, Wyd. Politechniki Częstochowskiej, 2004; str , Sprzęt laboratoryjny: Oscyloskop cyfrowy GDS-1152A-U, generator funkcyjny HM 8131, układy połączeniowe wzmacniacza operacyjnego MD WO-004. Przebieg ćwiczenia: 1. Zrealizowanie konfiguracji pracy wzmacniacza operacyjnego w postaci integratora odwracającego (rys.1).

2 Rys.1. Integrator odwracający z obwodem RC Wzmocnienie tego integratora w postaci operatorowej jest równe : = 1 (1 + ) Wartości elementów są równe: R 1 =10 kω, R 3 =50 kω, C=470 pf. Sygnał wejściowy podawany z generatora funkcyjnego HM8131 jest sygnałem sinusoidalnym o regulowanej częstotliwości i amplitudzie 2 V. Sygnał wyjściowy oraz wejściowy jest rejestrowany za pomocą oscyloskopu cyfrowego GDS-1152A-U. 2. Podstawowe pomiary oscyloskopem cyfrowym GDS-1152A-U. 3. Wyznaczenie charakterystyki amplitudowej zbudowanego układu. W celu wyznaczenia tej charakterystyki należy zmieniając częstotliwość generatora mierzyć amplitudę napięcia wyjściowego na oscyloskopie w podanych w tabeli 1 punktach. Tabela 1 f[hz] ω[rad/s] log 10 ω U wy [V] U we [V] U wy /U we 20log 10 (U wy /U we )

3 Wyznaczenie charakterystyki fazowej zbudowanego układu. W tym celu należy mierzyć przy poszczególnych częstotliwościach (Tabela 2) przesunięcie czasowe τ sygnału wyjściowego (sygnał żółty) względem wejściowego (sygnał niebieski). Dla każdej częstotliwości należy obliczyć okres drgań T, a następnie przesunięcie fazowe w stopniach ze wzoru: = 360 Tabela 2 f[hz] ω[rad/s] log 10 ω τ [ms] T[ms] φ[stop] Zrealizowanie konfiguracji pracy wzmacniacza operacyjnego w postaci wzmacniacza różniczkującego (rys.2). Transmitancja tego układu w postaci operatorowej jest równa: = 1 +

4 Wartości elementów są równe: R 1 =10 kω, R 3 =50 kω, C=3.3 nf. Rys.2. Wzmacniacz różniczkujący z obwodem RC Sygnał wejściowy podawany jest tak jak w pierwszym przypadku z generatora funkcyjnego HM8131, a obydwa sygnały rejestrowane są za pomocą oscyloskopu cyfrowego GDS-1152A-U. 6. Wyznaczenie charakterystyki amplitudowej zbudowanego układu. W celu wyznaczenia tej charakterystyki należy zmieniając częstotliwość generatora mierzyć amplitudę napięcia wyjściowego na oscyloskopie w podanych w tabeli 3 punktach. Tabela 3 f[hz] ω[rad/s] log 10 ω U wy [V] U we [V] U wy /U we 20log 10 (U wy /U we )

5 Wyznaczenie charakterystyki fazowej zbudowanego układu. W tym celu należy mierzyć przy poszczególnych częstotliwościach (Tabela 4) przesunięcie czasowe τ sygnału wejściowego (sygnał niebieski) względem wyjściowego (sygnał żółty). Dla każdej częstotliwości należy obliczyć okres drgań T, a następnie przesunięcie fazowe w stopniach ze wzoru: Tabela 4 = 360 f[hz] ω[rad/s] log 10 ω τ [ms] T[ms] φ[stop]

6 Opracowanie wyników: Opis stanowiska pomiarowego, badanych układów i wykonanych pomiarów. Zestawienie wyników w postaci tabelarycznej. Wykreślenie charakterystyki: logarytmicznej amplitudowej A(ω) = 20log 10 U wy /U we ) w funkcji log 10 (ω) (gdzie ω = 2πf ) oraz fazowej ϕ(ω) (ϕ jest kątem przesunięcia fazowego w stopniach pomiędzy U wy i U we ) w funkcji log 10 (ω) dla obydwu zmierzonych układów. Porównanie z obliczeniami teoretycznymi. Wnioski.