Akademia Górniczo – Hutnicza

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Systemy pomiarowe

Instrukcja do laboratorium nr 1

Wzmacniacze operacyjne

Prochot Jacek

Rajda Łukasz

Grupa AM2

Cel ćwiczenia:

Zapoznanie się z działaniem wzmacniacza operacyjnego. Analiza statyczna i dynamiczna pracy wzmacniaczy odwracającego, nieodwracajacego, całkującego i różniczkującego. Zapoznanie się z właściwościami, charakterystykami i zastosowaniami wzmacniaczy operacyjnych.

Czas wykonania ćwiczenia: 135 min.

Potrzebny sprzęt:

Zasilacz prądu stałego, generator, miernik uniwersalny, oscyloskop, komputer z kartą pomiarową, wzmacniacz operacyjny ULY 7741N, płytka z rezystorami i kondensatorami.

Wprowadzenie:

Parametry wzmacniacza ULY 7741N:

Oznaczenie	Nazwa	Jedn.	Wartość
			min
Ucc	Napięcie zasilania	V
UID	Napięcie wejściowe różnicowe	V
UIm	Maksymalne napięcie wejściowe	V
Pd	Moc tracona	mW
tamb	Temp. otoczenia w czasie pracy	°C	0
tstg	Temp. przechowywania	°C	-55

W celu przeprowadzenia analizy układów ze wzmacniaczami operacyjnymi przyjmuje się następujące założenia:

• rezystancja wejściowa jest nieskończona,

• wzmocnienie napięciowe jest nieskończone,

• wzmacniacz operacyjny nie pobiera prądu,

• potencjały na wejściach wzmacniacza są sobie równe.

Układy pracy wzmacniaczy operacyjnych:

• napięcie wejściowe: U_wej ,

• napięcie wyjściowe: U_wyj .

Wzmacniacz odwracający

Rys.1. Wzmacniacz odwracający

Równanie prądowe dla węzła M (pierwsze prawo Kirchhoffa):

Dla wzmacniacza idealnego, potencjały w punkcie A i B są sobie równe, więc prąd i_w jest równy 0.

Gdzie:

k – wzmocnienie wzmacniacza,

G(s) – transmitancja układu

Wzmacniacz nieodwracający:

Rys.2. Wzmacniacz nieodwracający

Równanie prądowe dla węzła M (pierwsze prawo Kirchhoffa):

Dla wzmacniacza idealnego, potencjały w punkcie A i B są sobie równe, więc prąd i_w jest równy 0.

Wzmacniacz różniczkujący:

Rys.3. Wzmacniacz różniczkujący

Równanie prądowe dla węzła M (pierwsze prawo Kirchhoffa):

Dla wzmacniacza idealnego, potencjały w punkcie A i B są sobie równe, więc prąd i_w jest równy 0.

Wzmacniacz całkujący:

Rys.4. Wzmacniacz całkujący

Równanie prądowe dla węzła M (pierwsze prawo Kirchhoffa):

Dla wzmacniacza idealnego, potencjały w punkcie A i B są sobie równe, więc prąd i_w jest równy 0.

Przebieg ćwiczenia.

1. Wyznaczanie charakterystyki statycznej wzmacniacza odwracającego i nieodwracającego.

Wzmacniacz odwracający.

Schemat połączeń układu.

Połączenia układu wzmacniacza odwracającego należy przyjąć jak na rysunku 5. W miejscu wzmacniacza podłączamy układ z rysunku 1. Student powinien dobrać wartości rezystancji dla poszczególnych oporników na płytce oraz obliczyć wzmocnienie wzmacniacza.

Rys.5. Schemat połączenia układu

Badania należy przeprowadzić dla 16-tu punktów pomiarowych zmieniając napięcie zasilania w zakresie , gdzie K to wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego.

Wyniki należy zapisać w tabeli:

l.p.	UCC	Uwyj

Dodatkowo należy sporządzić wykres zależności U_wyj(U_CC)

Wzmacniacz nieodwracający.

Schemat połączeń układu jest taki sam jak dla wzmacniacza odwracającego z tą różnicą, że w miejscu wzmacniacza podłączamy układ z rysunku 2. Dla tego przykładu postępujemy analogicznie jak dla wzmacniacza odwracającego.

• W sprawozdaniu należy umieścić dwie tabele z wynikami oraz sporządzić charakterystyki. Dodatkowo należy umieścić charakterystyki statyczne wzmacniaczy idealnych dla tych samych parametrów posługując się wzorami na transmitancję oraz porównać z wynikami badań.

2. Wyznaczanie odpowiedzi czasowych wzmacniaczy.

Należy sporządzić odpowiedzi czasowe wzmacniaczy: odwracającego, nieodwracającego, różniczkującego i całkującego na wymuszenie : sinusoidalne, prostokątne i trójkątne.

Schemat połączenia przedstawiony jest na rysunku 6. Na wejście wzmacniacza należy podać sygnał z generatora o stałej częstotliwości f=100[kHz] i amplitudzie 5[V]. Do pierwszego kanału oscyloskopu należy wpiąć sygnał z generatora, natomiast na drugi kanał sygnał z wyjścia wzmacniaczy. Parametry układu należy p

Rys.6. Schemat połączenia układu

W celu zapisania charakterystyk należy sygnały z wyjścia generatora oraz wyjścia wzmacniacza podpiąć do wejść analogowych karty pomiarowej, a następnie przy użyciu programu LabView wyniki zapisać do pliku i umieścić na wykresie. W programie LabView do odczytywania sygnałów z karty pomiarowej służy blok „DAQ Assistant”, natomiast do zapisu danych do pliku „Write to measurement file” .

• W sprawozdaniu należy umieścić charakterystyki otrzymane doświadczalnie oraz zapisać amplitudy i częstotliwości sygnałów wyjściowych.

3. Wyznaczanie charakterystyk amplitudowo – częstotliwościowych i fazowo – częstotliwościowych dla wzmacniacza odwracającego i nieodwracającego.

Schemat połączenia przedstawiony jest na rysunku 6. Do wejścia wzmacniacza (oraz do wejścia kanału CH1 oscyloskopu) podłączyć przebieg sinusoidalny z generatora. Wyjście wzmacniacza podłączyć do kanału CH2 oscyloskopu. Pomiary należy zapisywać dla generowanego sygnału o stałej amplitudzie 5[V] i zmiennej częstotliwości z zakresu dobranego przez studenta (tak aby na charakterystyce znalazło się przegięcie wykresu *przykładowo f=10÷2000[kHz]), przy czym częstotliwości dla poszczególnych pomiarów powinny zmieniać się w skali logarytmicznej czyli np. 10, 20, 30…100, 200, 300…1000, 2000[kHz]. Obie charakterystyki powinny mieć zarejestrowane przynajmniej dziesięć punktów na dekadę. Wartości rezystancji R₁ i R₂ należy dobrać samodzielnie.

W celu wyznaczenia logarytmicznej charakterystyki amplitudowo – częstotliwościowych należy dla każdej mierzonej częstotliwości odczytywać z oscyloskopu amplitudę sygnału wejściowego i wyjściowego. Następnie należy sporządzić wykres w którym na osi poziomej znajduje się pulsacja sygnału ω, natomiast na pionowej osi znajduje się logarytm modułu L(ω).

Pulsację sygnału oblicza się ze wzoru:

Logarytm modułu oblicza się ze wzoru:

W celu wyznaczenia logarytmicznej charakterystyki fazowo – częstotliwościowej należy dla każdej mierzonej częstotliwości odczytywać z oscyloskopu wartość przesunięcia wzdłuż osi czasu sygnału wyjściowego względem sygnału wejściowego Δt. Mając wartości zadawanych częstotliwości oraz odpowiadającym im przesunięciom Δt należy sporządzić wykres w którym na osi poziomej znajduje się pulsacja sygnału ω, natomiast na pionowej osi znajduje się przesunięcie fazy ϕ(ω).

Pulsację sygnału oblicza się tak jak dla charakterystyki amplitudowej.

Przesunięcie fazy oblicza się ze wzoru: s

Dokonując pomiarów, rezultaty należy wpisywać w tabeli, którą później należy umieścić w sprawozdaniu.

f[kHz]	ω	Awe[V]	Awyj[V]	Awyj/Awej[-]	Δt[s]

gdzie:

f – częstotliwość sygnału wejściowego,

ω – pulsacja sygnału wejściowego,

A_we – amplituda sygnału wejściowego,

A_wyj – amplituda sygnału wyjściowego,

A_wyj/A_wej – iloraz amplitud sygnału wyjściowego i wejściowego

Δt – przesunięcie na osi czasu sygnału wyjściowego do wejściowego.

• W sprawozdaniu należy umieścić charakterystyki amplitudowe i fazowe wzmacniacza odwaracjącego i nieodwracającego oraz tabele, w której zapisane zostały wyniki pomiarów. Dodatkowo otrzymaną charakterystykę należy porównać z charakterystykami obliczonymi analitycznie.

3. Sprawozdanie.

Sprawozdanie należy sporządzić kolejno według punktów instrukcji zawierając elementy które zostały wyróżnione pod każdym etapem badań. Dodatkowo należy umieścić wnioski dotyczące otrzymanych charakterystyk oraz występujących błędów.