LABORATORIUM UKŁADÓw elektronicznych	Dzień tygodnia: poniedziałek godz. 8^15
Nr grupy: 3 Imię i nazwisko : Paweł Janiak Rafał Tarczyński	Nr ćwiczenia : 5 Temat : Zastosowanie wzmacniaczy operacyjnych do liniowego przekształcania sygnałów
Data wykonania : 98.11.09	Ocena :

Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest praktyczne poznanie rozwiązań układowych, zasad działania, właściwości, podstaw projektowania i sposobu pomiaru charakterystyk i parametrów układów zbudowanych w oparciu o wzmacniacze operacyjne.

1. Pomiar i kompensacja wyjściowego napięcia niezrównoważenia.

Układ pomiarowy

Korzystając z powyższego schematu skompensowaliśmy wyjściowe napięcie niezrównoważenia potencjometrem R_p.

Wartości poszczególnych rezystorów :

R1 = 1kΩ

R2 = 10 kΩ

Rd = R1|| R2 ≈ 1 kΩ (ze względu na brak takiego wstawiliśmy 1,5 kΩ)

2. Pomiar stałoprądowy.

Korzystając ze schematu przedstawionego poniżej zmierzyliśmy charakterystyki wzmacniacza odwracającego w zakresie stałych napięć.

Schemat połączeń badanego układu:

Wartości poszczególnych rezystorów są takie same jak w pkt. 1

Schemat blokowy wykorzystany w pomiarach:

Wyniki pomiarów przedstawiam w tabeli

Dodatni zakres napięć wejściowych		Ujemny zakres napięć wejściowych
UWE [V]	UWY [V]	UWE [V]	UWY [V]
0,1025	- 1,05	- 0,106	1,09
0,20	- 2,041	-0,202	2,08
0,3015	- 3,098	-0,301	3,08
0,4045	- 4,157	-0,402	4,14
0,5048	- 5,192	-0,502	5,17
0,60	- 6,09	-0,603	6,22
0,70	- 7,14	-0,703	7,23
0,80	- 8,20	-0,803	8,27
0,90	- 9,33	-0,901	9,23
1,00	- 10,32	-1,00	10,30
1,10	- 11,29	-1,102	11,34
1,20	- 12,30	-1,20	12,38
1,30	- 13,35	-1,30	13,36
1,40	- 13,48	-1,401	14,26
1,50	- 13,50	-1,50	14,26
1,60	- 13,50	-1,60	14,26
1,70	- 13,50	-1,70	14,26

Na podstawie powyższych wyników sporządziłem zależność U_WY = f(U_WE)

3. Pomiar zmiennoprądowy.

Wykorzystując układ pomiarowy z pkt. 2 dokonaliśmy pomiaru charakterystyki U_WY = f(U_WE) w zakresie napięć zmiennych.

Pomiarowy schemat blokowy:

Wyniki pomiarów przedstawiam w tabeli.

UWE [V]	UWY [V]	KU [V/V]
0,037	0,399	10,78378
0,049	0,524	10,69388
0,060	0,641	10,68333
0,070	0,743	10,61429
0,080	0,846	10,575
0,1	1,06	10,6
0,12	1,25	10,41667
0,15	1,56	10,4
0,2	2,08	10,4
0,25	2,58	10,32
0,3	3,12	10,4
0,35	3,59	10,25714
0,4	4,14	10,35
0,45	4,63	10,28889
0,5	5,14	10,28
0,55	5,65	10,27273
0,6	6,17	10,28333
0,65	6,68	10,27692
0,7	7,2	10,28571
0,731	7,5	10,25992
0,78	7,97	10,21795

Na podstawie otrzymanych wyników wyliczyłem wzmocnienie wzmacniacza dla częstotliwości i zakresu napięć wykorzystanych w pomiarach wyliczyłem wzmocnienie wzmacniacza korzystając z wzoru:

Na podstawie tabeli sporządziłem wykres zależności U_WY = f(U_WE)

4. Pomiar charakterystyki amplitudowej.

Korzystając również z tego samego układu pomiarowego wyznaczyliśmy charakterystykę amplitudową badanego wzmacniacza. Pomiar polegał na odczycie międzyszczytowego napięcia wyjściowego przy zadanym napięciu wejściowym przy zmianie częstotliwości napięcia wejściowego.

Wartość zadanego napięcia wejściowego wynosi 0,1 V.

Schemat blokowy układu pomiarowego:

Wyniki pomiarów przedstawiam w tabeli.

f [kHz]	UWY [V]	KU [dB]	KU [V/V]
25	1,1	10,41393	11
30	1,1	10,41393	11
40	1,0	10	10
50	0,95	9,777236	9,5
70	0,9	9,542425	9
90	0,82	9,138139	8,2
100	0,8	9,0309	8
120	0,75	8,750613	7,5
130	0,7	8,45098	7
140	0,65	8,129134	6,5
160	0,6	7,781513	6
180	0,55	7,403627	5,5
190	0,52	7,160033	5,2
200	0,5	6,9897	5
220	0,46	6,627578	4,6
250	0,42	6,232493	4,2
270	0,4	6,0206	4
290	0,37	5,682017	3,7
310	0,35	5,44068	3,5
330	0,33	5,185139	3,3
350	0,31	4,913617	3,1
400	0,28	4,47158	2,8
450	0,25	3,9794	2,5
500	0,23	3,617278	2,3
550	0,20	3,0103	2
600	0,19	2,787536	1,9
700	0,17	2,304489	1,7
800	0,14	1,46128	1,4
900	0,13	1,139434	1,3
1000	0,11	0,413927	1,1
1200	0,1	0	1

Na podstawie pomiarów sporządziłem charakterystykę amplitudową K_U = f(f).

5. Pomiar zawartości harmonicznych.

Do układu pomiarowego z pkt. 3 na wyjście podłączyliśmy miernik zawartości harmonicznych. Zwiększaliśmy napięcie wejściowe do momentu aż poziom zniekształceń liniowych osiągnął wartość h = 5%.

Pomiaru dokonaliśmy dla dwóch częstotliwości f₁ = 1kΩ i f₂ = 2 kΩ.

Napięcie wyjściowe odpowiadające tym częstotliwościom było odpowiednio równe:

• dla f₁ U_WYSK = 9,2 V

• dla f₂ U_WYSK = 9,1 V

6. Wnioski i spostrzeżenia.

Podczas pomiaru i kompensacji wyjściowego napięcia niezrównoważenia należało tak dostroić układ potencjometrem R_p aby przy wejściu zwartym do masy na wyjściu również otrzymać zerową wartość napięcia. Gdybyśmy nie skompensowali tego napięcia to wówczas charakterystyka stałoprądowa byłaby przesunięta wzdłuż osi OX o wartość odpowiadającą temu napięciu.

Jak widać z charakterystyki stałoprądowej badany wzmacniacz jest nieco niesymetryczny tzn. jego charakterystyka w zakresie dodatnich jak i ujemnych wartości napięcia wejściowego różni się nieco. Trudno mi jest wytłumaczyć tą różnicę.

Pomiar charakterystyki napięciowej wzmacniacza odwracającego w zakresie napięć zmiennych polegał (tak jak i dla napięć stałych) na zwiększaniu napięcia wejściowego i odczycie napięcia wyjściowego. Do tego pomiaru wykorzystaliśmy woltomierze napięć przemiennych zatem wyniki przedstawione w tabeli są wartościami skutecznymi. Pomiary przeprowadzaliśmy do momentu gdy na oscyloskopie zaobserwowaliśmy wyraźne przesterowanie wzmacniacza. Można zatem na tej podstawie ocenić zakres liniowej pracy wzmacniacza. W naszym przypadku, wzmacniacz zachowuje się poprawnie do wartości ok. 0,78 V. Podana wartość odnosi się oczywiście do wartości skutecznej napięcia wejściowego. Na podstawie tych pomiarów ocenić można również prawidłowość wzoru określającego wzmocnienie wzmacniacza odwracającego fazę:

Jak widać rozbieżności dotyczące wzmocnienia są bardzo niewielkie. Przypomnę, że nasz wzmacniacz miał wzmocnienie równe:

K_U = -10kΩ/1kΩ = -10 [V/V]

Największe zaobserwowane odchylenie od tej wartości to ok. 7%, co może być wynikiem niezbyt dokładnego dobrania rezystora R_d.

Przy pomiarach charakterystyki częstotliwościowej pomiary zaczęliśmy od momentu, gdy zaobserwowaliśmy zmiany napięcia wyjściowego, tj. od ok. 25 kHz. Do tej wartości amplituda sygnału wyjściowego utrzymywała się na stałym poziomie, co wynika z faktu, że wzmacniacze operacyjne nie wymagają separacji pojemnością sprzęgającą i nie mają ograniczonego od dołu pasma. Tak więc nasz wzmacniacz można by określić wyrażeniem wzmacniacz dolnoprzepustowy.

Wartości wzmocnienia K_U [V/V] wyznaczyłem podobnie jak przy pomiarze charakterystyki napięciowej, natomiast do wyznaczenia wzmocnienia wyrażonego w decybelach posłużyłem się wzorem:

K_U |_dB = 10 log K_U

Dzięki wyznaczeniu wzmocnienia w dB bardzo łatwo określić jest trzydecybelowe pasmo przenoszenia wzmacniacza oraz jego górną częstotliwość graniczną, która wynosi:

f_GR ≈ 180 kHz.

Niestety brak czasu nie pozwolił abyśmy zdjęli pełną zależność maksymalnego napięcia wyjściowego od częstotliwości przy stałym współczynniku zawartości harmonicznych h = 5%. Jednak na podstawie dwóch wykonanych pomiarów możemy wnioskować, że wraz ze wzrostem częstotliwości maksymalny niezniekształcony sygnał wyjściowy będzie malał.

R₁

R_d

R₂

R_p

R_L

+V_CC

(+15 V)

-V_EE

(-15 V)

U_WY

+

−

μA 741

μA 741

−

+

R_L

R_p

R₂

R_d

R₁

+V_CC

(+15 V)

-V_EE

(-15 V)

U_WY

U_WE

Zasilacz

Badany

układ

Woltomierz

Woltomierz

Woltomierz

Woltomierz

Badany

układ

Zasilacz

prądu zmiennego

Oscyloskop

Oscyloskop

Badany

układ

Zasilacz

prądu zmiennego

---