POLITECHNIKA WARSZAWSKA, WYDZIAŁ MECHANICZNY

ENERGETYKI I LOTNICTWA

ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI

LABORATORIUM ELEKTRONIKI

SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA nr 2

Temat: Wzmacniacze operacyjne.

Ćwiczenie odrabiali:

Konrad Giec

Marcin Kosieradzki

Marcel Kuczkowski

Tomasz Prostko

1. Wstęp

Celem ćwiczenia było poznanie parametrów wzmacniacza operacyjnego oraz możliwości wykorzystania go w różnych układach elektronicznych. Wykonaliśmy szereg określonych doświadczeń w celu zbadania oraz sprawdzenia właściwości wzmacniaczy operacyjnych. Na samym początku badaliśmy wzmocnienie (oraz określiliśmy miarę nasycenia wzmacniacza), następnie wykonaliśmy operacje sumowania oraz całkowania.

2. Wzmacniacze operacyjne.

Wzmacniacz operacyjny – wzmacniacz prądu stałego o dużym wzmocnieniu. Jego nazwa wywodzi się od pierwotnego zastosowania do wykonywania operacji matematycznych (np.

sumowania, logarytmowania, różniczkowania, całkowania, itp.). Jest to układ analogowy.

Przykładowy schemat wzmacniacza operacyjnego:

Wzmocnienie sygnału można policzyć ze wzoru:

R2

K

= −

u

R1

Minus we wzorze jest dlatego, że wzmacniacz jest odwracalny, tzn. sygnał wejściowy podany jest do wejścia ze znakiem minus.

3. Przebieg laboratorium.

Na początku badaliśmy jak zachowuje się wzmacniacz, gdy stopniowo zwiększamy napięcie wejściowe, a Ku =1. Zauważyliśmy, że napięcie wyjściowe jest równe wejściowemu (pomijając błędy pomiarowe), a więc przebieg zmiany napięcia jest liniowy. W związku z tym, że badania przeprowadzaliśmy na wzmacniaczu odwracającym, wartość sygnału otrzymanego na wyjściu, od wejściowego różnił się praktycznie tylko znakiem – jest on przeciwny.

6

4

2

]

[Vy

0

wU -6

-4

-2

0

2

4

6

-2

-4

-6

Uwe[V]

Powyższe doświadczenie powtórzyliśmy dla Ku = 10. Zauważyliśmy, że nie jest możliwe wzmacnianie sygnału w nieskończoność – od pewnej wartości przebieg zaczyna się zakrzywiać. Po osiągnięciu wartości granicznej napięcia wyjściowego (wartość nasycenia), dalszy jego wzrost nie był już możliwy. Wyznaczyliśmy wartość tego napięcia oraz naszkicowaliśmy wykres:

20

15

10

]

5

[VywU

0

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

-5

-10

-15

Uwe[V]

Kolejnym celem laboratorium było wykonanie operacji sumowania. Zsumowaliśmy 2

sygnały:

a) Uwe1 = 2,03V Ku=1 (Uwy1 = -2,08V) b) Uwe2 = 0,51V Ku=10 (Uwy2 = -5,06V) Po podłączeniu tych sygnałów w jeden obwód napięcie wyjściowe Uwy wynosiło –7,15V

Obliczenia matematyczne: Uwy = -(Uwe1 + 10 Uwe2) = -(2,03 + 5,1) = -7,03V

Wynik uzyskany przy użyciu wzmacniacza operacyjnego jest prawie dokładny.

Naszym następnym zadaniem było sprawdzenie wzmacniacza całkującego (z wbudowanym kondensatorem zamiast opornika). Aby to doświadczenie wyszło poprawnie, najpierw trzeba rozładować kondensator.

Schemat wzmacniacza całkującego wygląda następująco:

Rozpatrywaliśmy układ dla C1=0,1µF. Jeżeli napięcie wejściowe było równe 0V, to napięcie wyjściowe nie ulegało zmianie (też wynosiło 0V).

Po ustawieniu napięcia wejściowego na ok. 8V zauważyliśmy liniowy spadek napięcia wyjściowego (o 2V na ok. 30 sekund).

Sprawdziliśmy także jak będzie się zachowywał układ dla C1=1µF. Spadek również był

liniowy, jednak o 0,5V na ok. 1minutę i 20 sekund, czyli znacznie dłużej.

Na koniec ćwiczenia wykonaliśmy 2 bardziej skomplikowane operacje: sumowanie 3

sygnałów oraz wyrażenie matematyczne.

1. Sumowanie 3 sygnałów:

a) Uwe1 = 1V, Ku = 1 (Uwy1 = -1,02V) b) Uwe2 = 2V, Ku = 1 (Uwy2 = -2,05V) c) Uwe3 = -0,5V, Ku = 10 (Uwy3 = 5,09V) Po podłączeniu do jednego obwodu otrzymaliśmy: Uwy = 2,02V.

Obliczenia matematyczne: -(1+2-0,5*10) = 2V

Wynik i tym razem okazał się dokładny.

2. Wyrażenie 2(x1 + 10x2):

Aby wykonać takie obliczenia, zauważyliśmy, że:

2(x1+10*x2) = 2x1+10x2

Połączyliśmy ze sobą równolegle 2 wejścia o R=1Ω oraz 2 wejścia o R=0,1Ω.

Wskutek czego otrzymaliśmy:

R1=0,5Ω, a więc Ku=1:0,5=2

R2=0,05Ω, a więc Ku=1:0,05=20

Teraz wystarczyło tylko ustalić napięcia wejściowe (w naszym przypadku x1=1,5V oraz x2=0,4V).

Potencjometr wykazał y1=3V oraz y2=8,21V.

Sumując otrzymujemy 11,21V.

Obliczenia matematyczne: 2*1,5+20*0,4=11V.

Wnioski:

Za pomocą wzmacniaczy operacyjnych można łatwo sumować oraz całkować sygnały, dlatego znalazł zastosowanie w układach elektronicznych.

Wzmacniacz operacyjny charakteryzuje się dużym współczynnikiem wzmocnienia prądu stałego.

Błędy pomiarowe wynikają z tego, że wzmacniacz operacyjny idealny jest niemożliwy do zbudowania. Zawsze jakieś minimalne odchylenia pozostaną w stosunku do wyników analitycznych.