Ćwiczenie 4

„Badanie filtru aktywnego zbudowanego na scalonym wzmacniaczu operacyjnym”

1. Czynności do wykonania przed przystąpieniem do ćwiczenia:

1. Policzyć instrukcje do ćwiczenia (powinno być 5 kopii) - jeśli brakuje należy zgłosić to prowadzącemu.

2. Zapoznać z instrukcją obsługi urządzeń pomiarowych:

• multimetru cyfrowego Extech 430

• generatora funkcyjnego NDN DF

• oscyloskopu analogowego Protek 3502C lub oscyloskopu cyfrowego Owon PDS5022S

oraz zanotować w sprawozdaniu ich numery seryjne.

3. Jako wprowadzenie do ćwiczenia przeczytać

• Rozdział 5 „Wzmacniacz operacyjny w układach liniowych” z skryptu Politechniki Częstochowskiej „Podstawy elektroniki. Laboratorium” Częstochowa 2002; od strony 30 do strony 45 włącznie.

• Schemat połączeń płytki laboratoryjnej M5 wykorzystywanych w tym ćwiczeniu wraz z rozmieszczeniem poszczególnych elementów na płytce drukowanej, który dołączony jest na końcu tej instrukcji.

1. Wszystkie obliczenia, tabelki oraz wykresy uzupełniamy w szablonie sprawozdania, a nie W tej instrukcji.

2. W sprawozdaniu w punkcie „Schemat blokowy”, rysujemy zawsze schemat blokowy układu pomiarowego aktualnie wykorzystywanego w ćwiczeniu.

3. Moduły dydaktyczne wyciągamy z zasilacza za przeznaczony do tego celu uchwyt, znajdujący się w dolnej części panelu czołowego.

UWAGA: Sposób pomiaru przesunięcia fazowego za pomocą oscyloskopu oraz wyznaczania współczynnika prostokątności zawarty jest w dodatku na końcu instrukcji.

2. Przebieg ćwiczenia

1. Wyznaczanie charakterystyk częstotliwościowych (amplitudowej
   oraz fazowej
   przy
   ) filtru aktywnego zbudowanego na wzmacniaczu operacyjnym ULY7741.

• Umieścić moduł dydaktyczny M5 w zasilaczu.

• Do gniazda kanału Y oscyloskopu podłączyć trójnik BNC

• Za pomocą zielonego kabla BNC połączyć trójnik kanału Y oscyloskopu z wyjściem sygnałowy generatora.

• Włączyć zasilanie generatora i oscyloskopu.

• Dokonując pomiaru za pomocą oscyloskopu ustawić wartość międzyszczytową napięcia generatora przy częstotliwości 1 kHz na mniejszą niż 100mV - ta wartość nie może się zmienić przez cały czas trwania pomiaru. Zanotować wartość w sprawozdaniu jako
  

• Poprosić prowadzącego o skontrolowanie układu.

• Drugim zielonym kablem BNC połączyć trójnik z kanału Y oscyloskopu z wejściem filtru aktywnego (gniazdo modułu oznaczone „Filtr aktywny We”)

• Za pomocą czerwonego kabla BNC połączyć kanał X oscyloskopu z wyjściem filtru aktywnego (gniazdo modułu oznaczone „Filtr aktywny Wy”)

• Włączyć zasilacz laboratoryjny i odnaleźć przebieg wejściowy i wyjściowy na ekranie oscyloskopu.

• Aby wyznaczyć charakterystyki częstotliwościowe (amplitudową i fazową) zmieniamy częstotliwość sygnału generatora i mierzymy amplitudę sygnału wyjściowego oraz przesunięcie fazowe między sygnałem wyjściowym a sygnałem wejściowym (metoda pomiaru przesunięcia fazowego dołączona jest na końcu instrukcji). Wyniki pomiarów zanotować w tabelce.

• Pomiarów dokonać dla częstotliwości zaproponowanych w szablonie sprawozdania.

• Ostatni punkty pomiarowy ma znaleźć się w środku pasma, czyli tam, gdzie wzmocnienie jest maksymalne - umieścić go w kolumnie, gdzie wpisane jest
  .

Częstotliwość sygnału wejściowego		…	…
Wartość międzyszczytowa napięcia wyjściowego filtru aktywnego
Wzmocnienie napięciowe filtru aktywnego dla danej częstotliwości pomiarowej
Wzmocnienie napięciowe filtru aktywnego dla danej częstotliwości pomiarowej
Kąt przesunięcia fazowego pomiędzy sygnałem wejściowym z generatora i sygnałem wyjściowym z badanego filtru aktywnego

• Na podstawie powyższych pomiarów odręcznie narysować w sprawozdaniu wykresy:

• charakterystyki amplitudowo - częstotliwościowej
  jedna w skali liniowej, druga w skali decybelowo - logarytmicznej.

• charakterystyki fazowo - częstotliwościową
  

• Zaznaczyć na charakterystyce amplitudowej pasmo przenoszenia (zgodnie z wprowadzeniem), odczytać jego szerokość i zanotować to w sprawozdaniu.

• Wyznaczyć współczynnik prostokątności (metoda wyznaczania współczynnika prostokątności dołączona jest na końcu instrukcji). Obliczenia i wynik zanotować w sprawozdaniu.

• Zanotować w sprawozdaniu wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia i przedstawić sprawozdanie do kontroli prowadzącemu.

• Po uzyskaniu zgody prowadzącego wyłączyć zasilanie przyrządów, odłączyć wszystkie kable i wcisnąć wyłącznik bezpieczeństwa

3. Czynności porządkowe

• Policzyć instrukcje (powinno być 5 kopii) i jeśli ilość się zgadza ułożyć w takim samym porządku jak przed rozpoczęciem ćwiczenia (jeśli ilość się nie zgadza zgłosić to prowadzącemu).

• Odłączyć wszystkie kable od zasilania.

• Poukładać kable na stanowisku tak, jak przed rozpoczęciem zajęć.

• Uporządkować krzesła !

• Pozostawić po sobie porządek.

Dodatek A. Metoda pomiaru kąta przesunięcia fazowego:

Uwaga: Obydwa sygnały nie muszą koniecznie mieć tej samej wysokości.

Sposób 1 (Kąt przesunięcia fazowego zawarty w przedziale od
do
)

Mierzymy w działkach krótszą odległość między wierzchołkami sygnału wejściowego i wyjściowego. Odległości tej nie przeliczamy na sekundy i oznaczamy ją jako t. Następnie mierzymy odległość (również w działkach) między sąsiednimi wierzchołkami tego samego sygnału (nieistotne czy wybierzemy sygnał wejściowy czy wyjściowy) i oznaczamy ją jako T. Przesunięcie fazowe jest równe co do wartości bezwzględnej liczbie
. Aby ustalić znak przesunięcia fazowego należy popatrzeć na wierzchołek sygnału wejściowego. Jeżeli bliższy wierzchołek sygnału wyjściowego jest po lewej to przesunięcie fazowe jest dodatnie, jeżeli zaś po prawej - ujemne.

Sposób 2 (Kąt przesunięcia fazowego zawarty w przedziale od
do
)

Mierzymy w działkach odległość między wierzchołkiem sygnału wejściowego i tym wierzchołkiem sygnału wyjściowego, który znajduje się po lewej stronie. Odległości tej nie przeliczamy na sekundy i oznaczamy ją jako t. Następnie mierzymy odległość (również w działkach) między sąsiednimi wierzchołkami tego samego sygnału (nieistotne czy wybierzemy sygnał wejściowy czy wyjściowy) i oznaczamy ją jako T. Przesunięcie fazowe jest równe liczbie
.

Dodatek B. Metoda wyznaczania współczynnika prostokątności.

Sposób 1 (Z charakterystyki amplitudowej narysowanej w skali decybelowej)

Współczynnik prostokątności wyznaczamy następująco:

• Zaznaczamy częstotliwość f₀ - tę dla której wzmocnienie jest maksymalne oraz odpowiadające jej wzmocnienie.

• Rysujemy linię obniżoną o 3dB w stosunku do wzmocnienia maksymalnego. Punkty przecięcia tej linii z charakterystyką opuszczone na oś częstotliwości wyznaczają szerokość pasma trzydecybelowego B_3dB.

• Rysujemy linię obniżoną o 20dB w stosunku do wzmocnienia maksymalnego. Punkty przecięcia tej linii z charakterystyką opuszczone na oś częstotliwości wyznaczają szerokość pasma dwudziestodecybelowego B_20dB.

• Współczynnik prostokątności wyznaczamy ze wzoru
  

Sposób 2 (Z charakterystyki amplitudowej narysowanej w skali liniowej)

Współczynnik prostokątności wyznaczamy następująco:

• Zaznaczamy częstotliwość f₀ - tę dla której wzmocnienie jest maksymalne oraz odpowiadające jej wzmocnienie 
  

• Obliczamy
  oraz
  

• Rysujemy linię na wysokości
  . Punkty przecięcia tej linii z charakterystyką opuszczone na oś częstotliwości wyznaczają szerokość pasma trzydecybelowego B_3dB.

• Rysujemy linię na wysokości
  . Punkty przecięcia tej linii z charakterystyką opuszczone na oś częstotliwości wyznaczają szerokość pasma dwudziestodecybelowego B_20dB.

• Współczynnik prostokątności wyznaczamy ze wzoru
  

T

t

Sygnał wyjściowy

Sygnał wejściowy

f₀

K_umax

K_umax-3dB

K_umax-20dB

B_3dB

B_20dB

---