Podstawy Elektroniki - Laboratorium
Informatyka studia zaoczne
Ćwiczenie nr 4: Zastosowania liniowe i nieliniowe wzmacniaczy operacyjnych.
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z własnościami układów ze wzmacniaczami operacyjnymi.
W części pierwszej bada się funkcjonalne odpowiedniki biernych układów RC z ćwiczenia
nr 1. Daje to możliwość porównania układów aktywnych z układami biernymi i wyciągnięcia odpowiednich wniosków.
W części drugiej poznaje się układy nieliniowe zbudowane w oparciu o wzmacniacz operacyjny
Ćwiczenie jest przeprowadzane z użyciem programu symulacyjnego Electronic Workbench.
Wymagane wiadomości
Znajomość schematów ideowych filtru dolno- i górno-przepustowego ze wzmacniaczem operacyjnym.
Umiejętność analizy prostych układów ze wzmacniaczami operacyjnymi.
Znajomość podstawowych zależności dla badanych układów.
Wiadomości podstawowe
Wiadomości teoretyczne znajdują się na wkładce ksero.
Metody przeprowadzania pomiarów
Pomiar statycznej charakterystyki przejściowej z użyciem oscyloskopu.
Na wejście układu podłączmy generator przebiegu trójkątnego. Amplituda przebiegu powinna wynosić około 10 V. Wejście badanego układu dołączmy do kanału A oscyloskopu. Wyjście badanego układu podłączmy do kanału B. Przełączamy oscyloskop do pracy w trybie B/A. Na ekranie możemy zaobserwować charakterystykę statyczną badanego układu.
Pomiar charakterystyki przejściowej „punkt po punkcie”
Do wejścia układu dołączmy źródło napięciowe, do wyjścia woltomierz napięcia stałego. Zmieniając w szerokim zakresie wartość napięcia źródła (od wartości ujemnych do dodatnich) odczytujemy napięcie na wyjściu. Pomiary wykonujemy dwukrotnie - raz dla rosnącego napięcia wyjściowego, drugi raz dla napięcia malejącego. Otrzymane wyniki przedstawiamy na wykresie w postaci zależności Uwy=f(Uwe).
Pomiar przesunięcia fazowego
Na jeden z kanałów oscyloskopu podajemy sygnał wejściowy, na drugi sygnał z wyjścia badanego układu.
Przesunięcie fazowe ϕ wyznaczamy korzystając z zależności . Wielkości T i t należy określić w sposób pokazany na Rys. 1 (wymiarem obu wartości jest [s] ).
Rys. 1 Sposób pomiaru przesunięcia fazowego.
Wykonanie ćwiczenia
Badanie własności układu całkującego ze wzmacniaczem operacyjnym
Schemat układu całkującego przedstawia Rys. 2
Rys. 2 Wzmacniacz całkujący.
Zaprojektować filtr dolnoprzepustowy na podaną przez prowadzącego częstotliwość graniczną fd(np. 5 kHz). Jeden z elementów należy przyjąć dowolnie, a drugi wyznaczyć z odpowiedniej zależności (obowiązują zależności takie same jak w ćwiczeniu 1).
Używając charakterografu zaobserwować kształt charakterystyki częstotliwościowej badanego układu. Jakie istotne różnice można zauważyć.
Równolegle do pojemności C włączyć dodatkowy rezystor R2 o wartości 10 razy większej niż R i ponownie zmierzyć charakterystykę częstotliwościową układu. Jaki jest wpływ rezystora na kształt charakterystyki.
Zbadać w jakim zakresie częstotliwości układ poprawnie całkuje. Czy reguła ta uległa zmianie w stosunku do tej, wynikającej z ćwiczenia nr 1.
Badanie własności układu różniczkującego.
Schemat układu różniczkującego przedstawia Rys. 3
Rys. 3 Wzmacniacz różniczkujący.
Podobnie jak w punkcie 3.1 zaprojektować filtr górnoprzepustowy w układzie RC na częstotliwość fg różną od fd.(np. 50 kHz) .
Używając charakterografu zaobserwować kształt charakterystyki częstotliwościowej badanego układu. Jakie istotne różnice można zauważyć.
Szeregowo z pojemnością C włączyć dodatkowy rezystor R2 o wartości 10 razy mniejszej niż R i ponownie zmierzyć charakterystykę częstotliwościową układu. Jaki jest wpływ rezystora na kształt charakterystyki.
Zbadać w jakim zakresie częstotliwości układ poprawnie różniczkuje. Czy reguła ta uległa zmianie w stosunku do tej, wynikającej z ćwiczenia nr 1.
Przesuwnik fazowy
Schemat przesuwnika fazowego przedstawia Rys. 4
Rys. 4 Przesuwnik fazowy.
.
Wyznaczyć charakterystykę ϕ=f(R)
Charakterystykę otrzymuje się mierząc przesunięcie fazy (w sposób opisany wcześniej) dla różnych wartości rezystancji R przy ustalonej częstotliwości napięcia wejściowego.
Detektor przejścia przez zero
Schemat układu przedstawia Rys. 5
Rys. 5 Detektor przejścia przez zero.
wyznaczyć charakterystykę statyczną układu używając oscyloskopu dwukanałowego
zaobserwować kształt sygnału na wyjściu układu w stosunku do sygnału wejściowego
Detektor wartości szczytowej
Schemat układu detektora przedstawia Rys. 6
Rys. 6 Detektor wartości szczytowej.
Na oscyloskopie dwukanałowym zaobserwować przebieg sygnału na wyjściu układu przy różnych kształtach i wypełnieniach przebiegu na wejściu.
Ogranicznik amplitudy
Schemat układu przedstawia Rys. 7. Diody Zenera mogą być na napięcie 3-5V.
Rys. 7 Ogranicznik amplitudy.
Wyznaczyć charakterystykę statyczną układu używając oscyloskopu,
Zaobserwować kształt napięcia wyjściowego przy różnych kształtach i amplitudach napięcia wejściowego. Zanotować w jakich warunkach układ zniekształca sygnał wejściowy. Czy zniekształcenia wpływają na częstotliwość przebiegu.
Zastąpić jedną z diod Zenera przez zwykłą diodę impulsową (np. 1N4148). Jakie zmiany w sygnale wyjściowym i w charakterystyce zaszły przy tej zmianie,
Przerzutnik Schmitta
Schemat układu przedstawia Rys. 8.
Rys. 8 Przerzutnik Schmitta.
Obliczyć wartości rezystorów, tak aby szerokość pętli histerezy wynosiła 2V.
Wyznaczyć charakterystykę statyczną metodą „Punkt po punkcie” dla rosnącego i malejącego napięcia wejściowego. Zaobserwować kształt charakterystyki na oscyloskopie.
Wymagane sprawozdanie
Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:
Schematy projektowanych i badanych układów oraz obliczenia wartości elementów,
charakterystyki badanych układów (należy odrysować kształt ch-ki i zaznaczyć charakterystyczne wartości,
oscylogramy przebiegów (odpowiedzi na falę prostokątną) z ewentualną interpretacją kształtu przebiegu.
Literatura
Baranecki A.: Laboratorium układów elektronicznych cz. II. Wyd. PW, Warszawa 1988,
Tietze U., Schenk Ch.: Układy półprzewodnikowe. WNT, Warszawa 1996,
Wawrzyński W.: Podstawy elektroniki. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 1996