UKŁADY ELEKTRONICZNE Zastosowania nieliniowe wzmacniaczy

UKŁADY ELEKTRONICZNE
I n s t r u k c ja d o ć w i c z e ń l a b o r a t o r yj n yc h
Zastosowania nieliniowe wzmacniaczy
operacyjnych
Laboratorium Układów Elektronicznych
Poznań 2008
Zastosowania nieliniowe wzmacniaczy operacyjnych
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
1. Cel i zakres ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z typowymi zastosowaniami scalonych
wzmacniaczy operacyjnych. Zakres ćwiczenia obejmuje badanie działania wybranych układów o
nieliniowej charakterystyce dynamicznej, w której są wykorzystane wzmacniacze operacyjne.
2. Wprowadzenie
Układ z wykorzystaniem wzmacniacza operacyjnego o nieliniowej charakterystyce dynamicznej
tworzy się przez wykorzystanie elementów nieliniowych takich jak warystor, dioda czy tranzystor
w obwodzie ujemnego sprzężenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego. Charakterystyka
dynamiczna takiego układu jest uzależniona od charakterystyk prądowo-napięciowych elementów
ujemnego sprzężenia zwrotnego W większości przypadków sygnał wejściowy jest podany na
wejście odwracające wzmacniacza operacyjnego. W pierwszym przypadku (rys.1a) element
nieliniowy jest zasilany napięciem wejściowym u = u we , natomiast napięcie wyjściowe jest
proporcjonalne do prądu płynącego przez ten element, Charakterystyka dynamiczna układu
(rys. 1a) jest określona wzorem:
u wy = f (u we ) = − R1i = − R1 g (u ) = − R1 g (u we )
(1)
Rys.1a Schemat ideowy wzmacniacza nieliniowego – element nieliniowy zasilany napięciowo
W drugim przypadku element nieliniowy jest zasilany prądem sterowanym przez napięcie
wejściowe układu, oraz u wy = −u . Charakterystyka układu (rys. 1b) jest określona wzorem:
u
u wy = f (u we ) = −u = −h −1 (i ) = − h −1  we
 R2



(2)
Rys.1b Schemat ideowy układu nieliniowego – element nieliniowy zasilany prądowo
2
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Układy elektroniczne – instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych
Zastosowania nieliniowe wzmacniaczy operacyjnych
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Interesującym przykładem zastosowania wzmacniaczy operacyjnych w układach nieliniowych
jest układ do detekcji wartości maksymalnej sygnału zwany detektorem szczytu. W przeciwieństwie
do poprzednio przedstawionym przykładów, sygnał wejściowy jest na wejście nieodwracające
wzmacniacza operacyjnego (rys.2). W momencie, gdy napięcie wejściowe układu ma wartość
dodatnie (przy założeniu, że kondensator C jest rozładowany), napięcie wyjściowe wzmacniacza
operacyjnego przyjmuje wartość w pobliżu dodatniego napięcia zasilającego – układ jest w stanie
nasycenia. Kondensator C jest ładowany przez diodę D spolaryzowaną w kierunku przewodzenia,
przy czym o wartości stałej czasowej ładowania decyduje niewielka w porównaniu z rezystorem R
rezystancja dynamiczna diody. Kondensator ładuje się w czasie narastania napięcia wejściowego
tzn. wtedy, gdy wartość napięcia wejściowego przekracza napięcie na kondensatorze. Podczas
spadku wartości sygnału wejściowego układ nasyca się w pobliżu ujemnego napięcia zasilającego.
Dioda D jest spolaryzowana zaporowo i ma bardzo dużą w porównaniu z rezystorem R rezystancję
dynamiczną. Kondensator rozładowuje się przez rezystor R.
Rys.2 Schemat ideowy układu podstawowego detektora szczytu
3. Badanie wzmacniacza prostującego sygnał
3.1 Zestaw pomiarowy
•
•
•
•
•
•
•
Wirtualny wzmacniacz operacyjny TL071ACD,
Wirtualne diody 1N4150,
Wirtualne rezystory,
Wirtualne źródła zasilania DC,
Wirtualny generator sygnału,
Wirtualny miernik częstotliwości,
Wirtualny oscyloskop.
3.2 Przebieg ćwiczenia
1. Uruchomić program MULTISIM i złożyć układ symulacyjny do badania wzmacniacza
prostującego sygnał (rys.3) kierując się wskazówkami prowadzącego.
2. Uaktywnić generator XFG1 podwójnym kliknięciem na obiekt, ustawić generację sygnału
trójkątnego (przycisk wyboru) o parametrach: 100 Hz, 5V. Uruchomić symulację.
3. Uaktywnić miernik częstotliwości XFC1 (czułość miernika ustawić na wartość 10 mV) oraz
oscyloskop XSC1. Zmierzyć częstotliwość sygnału. Ustawić oscyloskop w trybie pracy XY
(A/B) przy pozostałych nastawach ustalonych z prowadzącym. Zaobserwować przebieg
funkcji generowanej przez układ.
3
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Układy elektroniczne – instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych
Zastosowania nieliniowe wzmacniaczy operacyjnych
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
4. Zaobserwować przebiegi charakterystyk dynamicznych układu prostującego sygnał trójkątny
dla częstotliwości równych: 1kHz oraz 10 kHz (przed zmianą częstotliwości wyłączyć
symulację).
Rys.3 Schemat układu symulacyjnego do badania wzmacniacza prostującego sygnał
4. Badanie wzmacniacza generującego funkcję nieliniową
4.1 Zestaw pomiarowy
•
•
•
•
•
•
•
Wirtualny wzmacniacz operacyjny TL072ACP,
Wirtualne diody Zenera 1N4370A,
Wirtualne rezystory,
Wirtualne źródła zasilania DC,
Wirtualny generator sygnału,
Wirtualny miernik częstotliwości,
Wirtualny oscyloskop.
4.2 Przebieg ćwiczenia
1. Złożyć układ symulacyjny do badania wzmacniacza generującego funkcję nieliniową
– wariant 1 (rys.4a) kierując się wskazówkami prowadzącego.
2. Uaktywnić generator, ustawić generację sygnału trójkątnego przy parametrach: 1 kHz, 2V.
Uruchomić symulację.
3. Uaktywnić oscyloskop i miernik częstotliwości (czułość miernika ustawić na wartość 10 mV).
Zmierzyć częstotliwość sygnału. Za pomocą kursorów w oscyloskopie (ustalić z
prowadzącym) zmierzyć zakresy liniowej pracy wzmacniacza. Obliczyć wzmocnienie układu
dla zmierzonych zakresów według wzoru:
ku =
∆u wy
∆u we
(3)
4. Złożyć układ symulacyjny do badania wzmacniacza generującego funkcję nieliniową
– wariant 2 (rys.4b).
4
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Układy elektroniczne – instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych
Zastosowania nieliniowe wzmacniaczy operacyjnych
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
5. Uaktywnić generator, ustawić generację sygnału trójkątnego o parametrach: 1 kHz, 2V.
Uruchomić symulację.
6. Powtórzyć polecenie z p.3.
Rys.4a Schemat układu symulacyjnego do badania wzmacniacza generującego funkcję
nieliniową – wariant 1
Rys.4a Schemat układu symulacyjnego do badania wzmacniacza generującego funkcję
nieliniową – wariant 2
5
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Układy elektroniczne – instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych
Zastosowania nieliniowe wzmacniaczy operacyjnych
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
5. Badanie detektora szczytu sygnału
5.1 Zestaw pomiarowy
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Wirtualny wzmacniacz operacyjny TL072ACP,
Wirtualne diody 1N4150,
Wirtualny rezystor i potencjometr,
Wirtualny kondensator
Wirtualne źródła zasilania DC,
Wirtualny generator sygnału,
Wirtualny miernik częstotliwości,
Wirtualne multimetry,
Wirtualny oscyloskop.
5.2 Przebieg ćwiczenia
1. Złożyć układ symulacyjny do badania detektora szczytu sygnału (rys.5).
2. Uaktywnić generator, ustawić generację sygnału sinusoidalnego o parametrach: 1 kHz, 5V.
Uruchomić symulację.
3. Uaktywnić miernik częstotliwości (czułość miernika ustawić na wartość 10 mV), multimetry
oraz oscyloskop. Zmierzyć częstotliwość sygnału. Ustawić przyciskiem Shift A położenie
suwaka potencjometru w pozycji 0%. Naciskając przycisk A zmieniać skokowo położenie
suwaka potencjometru R1 w całym zakresie jego rezystancji (skok 5%).
4. Dla każdego położenia suwaka potencjometru obliczyć stałą czasową rozładowania
kondensatora, obserwować przebiegi sygnałów wejściowego i wyjściowego, odczytać
wartości składowej stałej i zmiennej sygnału wyjściowego z multimetru XMM2 (przełączać
pomiędzy trybem DC i AC). Dla każdej stałej czasowej rozładowania kondensatora obliczyć
u
współczynnik tętnień detektora szczytu według wzoru: w = AC
u DC
Rys.5 Schemat układu symulacyjnego do badania detektora szczytu sygnału
6
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Układy elektroniczne – instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych
Zastosowania nieliniowe wzmacniaczy operacyjnych
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
6. Sprawozdanie
W sprawozdaniu należy zamieścić:
• tabele wyników pomiarowych,
• wykresy mierzonych zależności,
• interpretacje uzyskanych wyników i wnioski.
Literatura
• M. Nadachowski, Z. Kulka: Analogowe Układy Scalone, WKiŁ, W-wa, 1980
• P. Horowitz, W. Hill: Sztuka Elektroniki, tom 1, WKiŁ, W-wa, 1995
• P. Górecki: Wzmacniacze operacyjne, WNT, 2002
• U.Tietze, Ch.Schenk: Układy półprzewodnikowe, WNT 2008
7
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Układy elektroniczne – instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych