Ćwiczenie 3

„Badanie wzmacniacza napięciowego zbudowanego na scalonym wzmacniaczu operacyjnym”

1. Czynności do wykonania przed przystąpieniem do ćwiczenia:

1. Policzyć instrukcje do ćwiczenia (powinno być 5 kopii) - jeśli brakuje należy zgłosić to prowadzącemu.

2. Zapoznać z instrukcją obsługi urządzeń pomiarowych:

• multimetru cyfrowego Extech 430

• generatora funkcyjnego NDN DF

• oscyloskopu analogowego Protek 3502C lub oscyloskopu cyfrowego Owon PDS5022S

oraz zanotować w sprawozdaniu ich numery seryjne.

3. Jako wprowadzenie do ćwiczenia przeczytać

• Rozdział 5 „Wzmacniacz operacyjny w układach liniowych” z skryptu Politechniki Częstochowskiej „Podstawy elektroniki. Laboratorium” Częstochowa 2002; od strony 30 do strony 45 włącznie.

• Schemat połączeń płytki laboratoryjnej M5 wykorzystywanych w tym ćwiczeniu wraz z rozmieszczeniem poszczególnych elementów na płytce drukowanej, który dołączony jest na końcu tej instrukcji.

1. Wszystkie obliczenia, tabelki oraz wykresy uzupełniamy w szablonie sprawozdania, a nie W tej instrukcji.

2. W sprawozdaniu w punkcie „Schemat blokowy”, rysujemy zawsze schemat blokowy układu pomiarowego aktualnie wykorzystywanego w ćwiczeniu.

3. Moduły dydaktyczne wyciągamy z zasilacza za przeznaczony do tego celu uchwyt, znajdujący się w dolnej części panelu czołowego.

UWAGA: Sposób pomiaru przesunięcia fazowego za pomocą oscyloskopu oraz wyznaczania współczynnika prostokątności zawarty jest w dodatku na końcu instrukcji.

2. Przebieg ćwiczenia

1. Pomiar wzmocnienia napięcia stałego (wraz z obserwacją oscylogramów) wzmacniacza napięciowego zbudowanego na wzmacniaczu operacyjnym ULY7741

• Umieścić moduł dydaktyczny M5 w zasilaczu.

• Do gniazda kanału Y oscyloskopu podłączyć trójnik BNC

• Za pomocą zielonego kabla BNC połączyć źródło napięcia stałego (gniazdo modułu oznaczone „100mV”) z trójnikiem BNC

• Kolejnym zielonym kablem BNC połączyć drugie wyjście trójnika z wejściem wzmacniacza (gniazdo modułu oznaczone „Wzm. napięciowy We”)

• Za pomocą czerwonego kabla BNC połączyć kanał X oscyloskopu z wyjściem wzmacniacza (gniazdo modułu oznaczone „Wzm. napięciowy Wy”)

• Przygotować multimetr do pomiaru napięcia stałego

• Podłączyć multimetr do gniazd pomiarowych Wzm. napięciowy Wy.

• Poprosić prowadzącego o skontrolowanie układu.

• Włączyć zasilacz i oscyloskop.

• Odszukać na ekranie oscyloskopu przebieg sygnału wejściowego i wyjściowego, zmierzyć ich wartości i wyznaczyć wzmocnienie wzmacniacza dla napięcia stałego.

• Ponownie wyznaczyć wzmocnienie, tym razem odczytując wartość napięcia wyjściowego z multimetru. Otrzymane wyniki wraz z porównaniem zamieścić w sprawozdaniu.

• Zanotować w sprawozdaniu wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia i przedstawić sprawozdanie do kontroli prowadzącemu.

• Po uzyskaniu zgody prowadzącego wyłączyć zasilanie przyrządów.

1. Wyznaczanie charakterystyk częstotliwościowych (amplitudowej
   oraz fazowej
   przy
   ) wzmacniacza napięciowego zbudowanego na wzmacniaczu operacyjnym ULY7741.

• Skorzystamy z połączeń wykonanych w poprzednim ćwiczeniu

• Odłączyć multimetr i odłożyć go na miejsce

• Odłączyć zielone kable od modułu M5. (Nie odłączać od oscyloskopu)

• Jeden z zielonych kabli podłączyć do wyjścia generatora funkcyjnego OUTPUT.

• Poprosić prowadzącego o skontrolowanie układu.

• Po uzyskaniu zgody prowadzącego włączyć zasilanie generatora i oscyloskopu.

• Dokonując pomiaru za pomocą oscyloskopu ustawić wartość międzyszczytową napięcia generatora na mniejszą niż 100mV - ta wartość nie może się zmienić przez cały czas trwania pomiaru. Zanotować wartość w sprawozdaniu jako
  

• Poprosić prowadzącego o skontrolowanie układu.

• Po uzyskaniu zgody prowadzącego podłączyć drugi zielony kabel do wejścia wzmacniacza napięciowego (gniazdo modułu oznaczone „Wzm. napięciowy We”)

• Włączyć zasilacz laboratoryjny i odnaleźć przebieg wejściowy i wyjściowy na ekranie oscyloskopu.

• Aby wyznaczyć charakterystyki częstotliwościowe (amplitudową i fazową) zmieniamy częstotliwość sygnału generatora i mierzymy wartość międzyszczytową sygnału wyjściowego oraz przesunięcie fazowe między sygnałem wyjściowym a sygnałem wejściowym (metoda pomiaru przesunięcia fazowego dołączona jest na końcu instrukcji). Wyniki pomiarów zanotować w tabelce:

• Pomiarów dokonać dla częstotliwości zaproponowanych w szablonie sprawozdania.

Częstotliwość sygnału wejściowego		…	…
Wartość międzyszczytowa napięcia wyjściowego wzmacniacza
Wzmocnienie napięciowe wzmacniacza dla danej częstotliwości pomiarowej
Wzmocnienie napięciowe wzmacniacza dla danej częstotliwości pomiarowej
Kąt przesunięcia fazowego pomiędzy sygnałem wejściowym z generatora i sygnałem wyjściowym z badanego wzmacniacza

• Na podstawie powyższych pomiarów odręcznie narysować w sprawozdaniu wykresy:

• charakterystyki amplitudowo - częstotliwościowej
  , jedna w skali liniowej, druga w skali decybelowo - logarytmicznej.

• charakterystyki fazowo - częstotliwościową
  

• Zaznaczyć na charakterystyce amplitudowej pasmo przenoszenia (zgodnie z wprowadzeniem), odczytać jego szerokość i zanotować to w sprawozdaniu.

• Odczytać wartość górnej i dolnej częstotliwości granicznej - również zanotować w sprawozdaniu.

• Zanotować w sprawozdaniu wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia i przedstawić sprawozdanie do kontroli prowadzącemu.

• Po uzyskaniu zgody prowadzącego przystąpić wykonywania następnego podpunktu.

1. Wyznaczanie charakterystyki przejściowej wzmacniacza napięciowego zbudowanego na wzmacniaczu operacyjnym ULY7741.

• Skorzystamy z połączeń wykonanych w poprzednim ćwiczeniu

• Ustawić (w miarę dokładnie) częstotliwość generatora na
  

• Posługując się pokrętłem regulacji amplitudy generatora i przyciskami ATTENUATOR regulować napięcie wejściowe wzmacniacza w zakresie
  i mierzyć wartość międzyszczytową napięcia wyjściowego. Wyniki pomiarów zanotować w tabelce:

	0.01	0.02	0.03	0.04	0.05	0.06	0.07	0.08	0.09	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0

• Na podstawie powyższych pomiarów odręcznie narysować w sprawozdaniu wykres charakterystyki przejściowej wzmacniacza. Z wykresu odczytać maksymalną wartość sygnału wejściowego dla której wzmacniacz nie zniekształca sygnału - zanotować ją w sprawozdaniu.

• Zanotować w sprawozdaniu wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia i przedstawić sprawozdanie do kontroli prowadzącemu.

• Po uzyskaniu zgody prowadzącego wyłączyć zasilanie przyrządów i wcisnąć wyłącznik bezpieczeństwa.

3. Czynności porządkowe

• Policzyć instrukcje (powinno być 5 kopii) i jeśli ilość się zgadza ułożyć w takim samym porządku jak przed rozpoczęciem ćwiczenia (jeśli ilość się nie zgadza zgłosić to prowadzącemu).

• Odłączyć wszystkie kable od zasilania.

• Poukładać kable na stanowisku tak, jak przed rozpoczęciem zajęć.

• Uporządkować krzesła !

• Pozostawić po sobie porządek.

Dodatek A. Metoda pomiaru kąta przesunięcia fazowego:

Uwaga: Obydwa sygnały nie muszą koniecznie mieć tej samej wysokości.

Sposób 1 (Kąt przesunięcia fazowego zawarty w przedziale od
do
)

Mierzymy w działkach krótszą odległość między wierzchołkami sygnału wejściowego i wyjściowego. Odległości tej nie przeliczamy na sekundy i oznaczamy ją jako t. Następnie mierzymy odległość (również w działkach) między sąsiednimi wierzchołkami tego samego sygnału (nieistotne czy wybierzemy sygnał wejściowy czy wyjściowy) i oznaczamy ją jako T. Przesunięcie fazowe jest równe co do wartości bezwzględnej liczbie
. Aby ustalić znak przesunięcia fazowego należy popatrzeć na wierzchołek sygnału wejściowego. Jeżeli bliższy wierzchołek sygnału wyjściowego jest po lewej to przesunięcie fazowe jest dodatnie, jeżeli zaś po prawej - ujemne.

Sposób 2 (Kąt przesunięcia fazowego zawarty w przedziale od
do
)

Mierzymy w działkach odległość między wierzchołkiem sygnału wejściowego i tym wierzchołkiem sygnału wyjściowego, który znajduje się po lewej stronie. Odległości tej nie przeliczamy na sekundy i oznaczamy ją jako t. Następnie mierzymy odległość (również w działkach) między sąsiednimi wierzchołkami tego samego sygnału (nieistotne czy wybierzemy sygnał wejściowy czy wyjściowy) i oznaczamy ją jako T. Przesunięcie fazowe jest równe liczbie
.

Dodatek B. Metoda wyznaczania współczynnika prostokątności.

Sposób 1 (Z charakterystyki amplitudowej narysowanej w skali decybelowej)

Współczynnik prostokątności wyznaczamy następująco:

• Zaznaczamy częstotliwość f₀ - tę dla której wzmocnienie jest maksymalne oraz odpowiadające jej wzmocnienie.

• Rysujemy linię obniżoną o 3dB w stosunku do wzmocnienia maksymalnego. Punkty przecięcia tej linii z charakterystyką opuszczone na oś częstotliwości wyznaczają szerokość pasma trzydecybelowego B_3dB.

• Rysujemy linię obniżoną o 20dB w stosunku do wzmocnienia maksymalnego. Punkty przecięcia tej linii z charakterystyką opuszczone na oś częstotliwości wyznaczają szerokość pasma dwudziestodecybelowego B_20dB.

• Współczynnik prostokątności wyznaczamy ze wzoru
  

Sposób 2 (Z charakterystyki amplitudowej narysowanej w skali liniowej)

Współczynnik prostokątności wyznaczamy następująco:

• Zaznaczamy częstotliwość f₀ - tę dla której wzmocnienie jest maksymalne oraz odpowiadające jej wzmocnienie 
  

• Obliczamy
  oraz
  

• Rysujemy linię na wysokości
  . Punkty przecięcia tej linii z charakterystyką opuszczone na oś częstotliwości wyznaczają szerokość pasma trzydecybelowego B_3dB.

• Rysujemy linię na wysokości
  . Punkty przecięcia tej linii z charakterystyką opuszczone na oś częstotliwości wyznaczają szerokość pasma dwudziestodecybelowego B_20dB.

• Współczynnik prostokątności wyznaczamy ze wzoru
  

T

t

Sygnał wyjściowy

Sygnał wejściowy

f₀

K_umax

K_umax-3dB

K_umax-20dB

B_3dB

B_20dB

---