POLITECHNIKA POZNAŃSKA INSTYTUT ELEKTROTECHNIKI PRZEMYSŁOWEJ
Laboratorium Podstaw elektroniki i energoelektroniki   Ćwiczenie   Temat: Wzmacniacz operacyjny - zastosowanie liniowe
Rok akademicki: 2006/2007   Wydział Elektryczny   Studia dzienne magisterskie   Nr grupy: E6	Sprawozdanie wykonał :   Paweł Nowaczyk Sławomir Zasadziński Tomasz Szpieg	Data
				Wykonania ćwiczenia	Oddania sprawozdania
				Ocena:
Uwagi:

  

1. Podstawy teoretyczne.

Wzmacniacz operacyjny to wielostopniowy, różnicowy wzmacniacz prądu stałego, charakteryzujący się bardzo dużym różnicowym wzmocnieniem napięciowym rzędu stu kilkudziesięciu decybeli i jest przeznaczony zwykle do pracy z zewnętrznym obwodem sprzężenia zwrotnego, który decyduje o głównych właściwościach całego układu.

Wzmacniacze operacyjne są najbardziej rozpowszechnionym analogowym układem elektronicznym, realizowanym obecnie w postaci monolitycznych układów scalonych. Wielka uniwersalność, przy jednoczesnym wykorzystaniu istotnych właściwości układów scalonych, daje możliwość stosowania ich w rozmaitych układach, urządzeniach i systemach elektronicznych, zapewniając masową produkcję, niską cenę i bardzo dobre parametry użytkowe.
Wzmacniacz operacyjny posiada dwa wejścia: odwracające (oznaczane symbolem '-', napięcie na tym wejściu U ₊ ) i nieodwracające (oznaczane symbolem '+', napięcie na tym wejściu

U ₋ ), oraz jedno wyjście (napięcie wyjściu U_O); różnica napięć wejściowych nazywa się napięciem różnicowym (U_d = U ₊ − U ₋ ).

Celem ćwiczenia jest poznanie różnych aplikacji wykorzystujących wzmacniacz operacyjny w zastosowaniach nieliniowych. Ćwiczenie ma pokazać wykorzystanie wzmacniacza operacyjnego jako ogranicznika napięcia jedno- i dwukierunkowego, przerzutnika Schmitta oraz multiwibratora.

2. Przebieg ćwiczenia.

- Badanie wzmacniacza operacyjnego jako ogranicznika napięcia :

a) jednokierunkowego,

b) dwukierunkowego.

- Badanie przerzutnika Schmidta zbudowanego na bazie wzmacniacza operacyjnego :

a) wyznaczanie charakterystyki
dla zwartych przełączników S1 i S4,

b) wyznaczanie charakterystyki
dla zwartych przełączników S2 i S4,

c) wyznaczanie charakterystyki
przy pomocy oscyloskopu.

- Badanie multiwibratora zbudowanego na bazie wzmacniacza operacyjnego.

Wzmacniacz operacyjny jako ogranicznik napięcia.

Schemat płytki do badanie wzmacniacza operacyjnego jako ogranicznika napięcia :

Charakterystyki przejściowe
dla ograniczników napięcia z zaznaczonymi wartościami napięć ograniczonych znajdują się na dołączonej kartce.

Przerzutnik Schmidta zbudowany na bazie wzmacniacza operacyjnego.

Schemat płytki do badania przerzutnika Schmitta i multiwibratora zbudowanych na bazie wzmacniacza operacyjnego :

Zwarte przełączniki S1 i S4		Zwarte przełączniki S2 i S4
Uwe	Uwy	Uwe	Uwy
[V]	[V]	[V]	[V]
-5	14,39	-4,997	14,42
3,391	-13,87	4,987	-13,91
5,106	-13,87	5,020	-13,91
-3,223	14,4	-4,689	14,43
-4,997	14,4	-5,012	14,43

Przerzutnik Schimitta - wyznaczenie charakterystyk
.

Charakterystyki
dla zwartych przełączników :

- S1 i S4 :

- S2 i S4 :

Charakterystyki
wyznaczone przy pomocy oscyloskopu :

Różne kombinacje przełączników	Szerokość pętli histerezy
S1 - S3	11,51
S1 - S4	6,96
S2 - S3	15
S2 - S4	9,8

Wzór do obliczenia szerokości pętli histerezy ( R_X - R₂ lub R₃ , natomiast R_Y - R₄ lub R₅ ) :

Przykładowe obliczenia dla S1 - S3 :

Multiwibrator zbudowany na bazie wzmacniacza operacyjnego.

Schemat płytki do badania multiwibratora zbudowanych na bazie wzmacniacza operacyjnego jest umieszczony przy przerzutniku Schmitta.

Różne kombinacje przełączników	Okres T [s]		Częstotliwość [Hz]
-	z obliczeń	z oscyl.	z obliczeń	z oscyl.
S8 - S5	0,000099396	0,00018	10061	5556
S8 - S6	0,000496981	0,00068	2012	1471
S8 - S7	0,004969813	0,0064	201	156
S9 - S5	0,000218672	0,00026	4573	3846
S9 - S6	0,001093359	0,0011	915	909
S9 - S7	0,010933589	0,01075	91	93

Wykresy z pomierzonymi okresami za pomocą oscyloskopu znajdują się na dołączonej kartce.

Wzór do obliczania okresu generowanego przebiegu ( R_X - R₆ , R₇ lub R₈ , natomiast C - C₁ lub C₂ ) :

,
.

Przykładowe obliczenia dla S8 - S5 :

[s] ,

[Hz] .

3. Użyte przyrządy :

- zestaw laboratoryjny ETS - 5000,

- oscyloskop dwukanałowy,

- płytki testowe PT 7C1 i PT 7C2,

- zestaw mierników analogowych MK3.

4. Wnioski.

- Na podstawie przeprowadzonego doświadczenia i dokonanych pomiarów wyznaczyliśmy charakterystyki przejściowe
dla ograniczników napięcia jedno- i dwukierunkowych i dla przerzutnika Schmitta. W przypadku badania przerzutnik Schmitta wyznaczyliśmy również szerokość pętli histerezy. Wyznaczyliśmy również na podstawie oscyloskopu jak i na podstawie obliczeń wartości częstotliwości przebiegów generowanych przez multiwibrator.

- W pierwszej części badaliśmy właściwości wzmacniacza operacyjnego jako ogranicznika napięcia. Ogranicznik napięcia jest układem zawierającym w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego elementy nieliniowe (diody prostownicze lub diody Zenera).

Zadaniem ograniczników napięcia jest kształtowanie przebiegu wejściowego polegające na

niesymetrycznym lub symetrycznym ograniczeniu przebiegu - od góry lub od dołu albo obustronnie.

Układ może być bardzo łatwo regulowany przez zmianę jednej rezystancji (R₀₁ - R₀₃). Wraz z wzrostem wartości rezystancji wzrasta kąt odchylenia od osi X. Możemy również zauważyć, że rezystancja ma wpływ na wzmocnienie układu , tzn. im większe R tym mniejsze wzmocnienie co jest dobrze widoczne na załączonych wykresach.

Gdy przyjmiemy, że charakterystyka jest liniowa to można ją opisać równaniem prostej :
. W naszym wypadku b=0 ponieważ prosta przecina środek układu współrzędnych (0,0), a natomiast a = tg
. Jest on ujemny bo charakterystyka jest malejąca, wynika to z podłączenia sygnału do wejścia ujemnego wzmacniacza operacyjnego. Napięcie odcinają diody Zenera umieszczone w sprzężeniu zwrotnym wzmacniacza operacyjnego. Dla ograniczenia napięcia jednokierunkowego została użyta dioda Zenera oraz zwykła dioda, a dla dwukierunkowego dwie diody Zenera.

- W drugiej części badaliśmy przerzutnik Schmitta zbudowany na bazie wzmacniacza operacyjnego. Przerzutnik Schmitta zmienia stan wyjścia, kiedy poziom napięcia na jego wejściu wzrasta powyżej pewnego poziomu. Jednak po opadnięciu napięcia wejściowego poniżej tego poziomu stan wyjścia nie zmienia się od razu, a dopiero po przekroczeniu drugiej, niższej wartości odniesienia. Standardowy układ komparatora oparty na wzmacniaczu operacyjnym daje na wyjściu maksymalne napięcie, kiedy wejście dodatnie ma wyższe napięcie, niż wejście ujemne, a kiedy napięcie na wejściu dodatnim spada poniżej tego na ujemnym, przełącza na minimalne napięcie.

Przerzutniki Schmitta wykorzystują histerezę w celu ochrony przed szumem, który w normalnym komparatorze powodowałby ciągłe przełączanie pomiędzy dwoma przeciwnymi stanami wyjścia, jeśli sygnał wejściowy oscylowałby wokół jednego poziomu progowego.

Na podstawie wykresów zauważamy, również że dla załączonego przełącznika S1 i S4 szerokość pętli histerezy jest najmniejsza, a dla S2 i S3 największa. Możemy wywnioskować, że poziomy progowe napięcia mogą być regulowane poprzez zmianę rezystancji R_2,3 i R_4,5 .

Wartości otrzymane metodą doświadczalną i obliczeniową są zbliżone.

W trzeciej części badaliśmy multiwibrator zbudowany na bazie wzmacniacza operacyjnego. Multiwibratory na wyjściu przybierają jeden z dwóch stanów (albo bliski potencjałowi masy, lub też bliski napięciu zasilania). Układy takie stosuje się do wytwarzania (generacji) okresowych przebiegów, w idealnym przypadku prostokątnych, w rzeczywistości są to sygnały zbliżone do prostokąta. Są to układy samowzbudne, czyli wzmacniacze o silnym dodatnim sprzężeniu zwrotnym (generatory).

---