Badanie liniowych układów ze wzmacniaczem operacyjnym (2h)

ĆWICZENIE LABORATORYJNE
TEMAT: Badanie liniowych układów ze wzmacniaczem operacyjnym (2h)
1. WPROWADZENIE
Przedmiotem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi zastosowaniami
wzmacniacza operacyjnego oraz określenie wybranych parametrów układu. Ćwiczenie
pozwala zapoznać się z następującymi zastosowaniami wzmacniacza operacyjnego jako:
- wzmacniacz odwracający;
- wzmacniacz nieodwracający;
- wtórnik napięciowy;
- wzmacniacz sumujący;
- wzmacniacz odejmujący;
- układ różniczkujący;
- układ całkujący.
2. ZAGADNIENIA TEORETYCZNE
W celu należytego przygotowania się do ćwiczenia należy przestudiować zagadnienia z
następujących pozycji literaturowych:
1. Watson J. - „Elektronika” WKiŁ 1999, Syg. 55914, str. 173-175.
2. Tietze U., Schenk Ch., - „Układy półprzewodnikowe” Wyd. III, WNT 1996, Syg. 53555,
str. 148-156.
3. Horowitz P., Hill W., - „Sztuka elektroniki” cz. 1, Wyd. IV, WKiŁ 1997, Syg. 55051, str.
189-191.
3. PRZYKŁADOWE PYTANIA KONTROLNE
1. Omówić teoretyczne parametry wzmacniacza operacyjnego.
2. Narysować układ wzmacniacza nieodwracającego.
3. Narysować układ wzmacniacza odwracającego.
4. Narysować układ wtórnika napięcia i omówić jego własności.
5. Narysować układ całkujący oraz charakterystyki idealnego i rzeczywistego układu.
6. Narysować układ różniczkujący oraz jego idealnego i rzeczywistego układu.
7. Narysować schemat i omówić zasady kompensacji wejściowego napięcia
niezrównoważenia
Uwaga!
Zauważone błędy lub inne uwagi dotyczące instrukcji i ćwiczenia proszę kierować do
Wojciecha Pary tel. 6837845 lub [email protected]
4. PRZEBIEG ĆWICZENIA
4.1. Badanie wzmacniacza odwracającego
A. Warunki pomiarów
- wykorzystując moduł pomiarowy KL-23013, blok b połączyć schemat pomiarowy zgodnie
ze schematem przedstawionym na rys. 1.
R1 2
1 0 kΩ
R5
IN1 1 kΩ
∼
Uwej
+12V
OTP
+
-12V
Rys. 1. Schemat układu do badania wzmacniacza w układzie odwracającym
B. Obserwacja sygnału wyjściowego i pomiar współczynnika wzmocnienia napięciowego
- podłączyć generator przebiegu sinusoidalnego do wejścia wzmacniacza (IN1) i oscyloskop
do jego wyjścia (OTP);
- ustawić na generatorze sygnał o częstotliwości f=1kHz;
- regulując amplitudę sygnału wejściowego ustawić maksymalny niezniekształcony sygnał
wyjściowy;
- przerysować oscylogramy sygnału wejściowego i wyjściowego;
- odłączyć generator od wejścia wzmacniacza i zewrzeć wejście do masy, wykorzystując
woltomierz lub oscyloskop zmierzyć napięcie stałe na wyjściu wzmacniacza;
- wynik pomiaru zanotować.
C. Zadanie
- na podstawie oscylogramów obliczyć wzmocnienie napięciowe Ku .
4.2. Badanie wzmacniacza odwracającego z kompensacją napięcia niezrównoważenia
A. Warunki pomiarów
- wykorzystując moduł pomiarowy KL-23013, blok b połączyć schemat pomiarowy zgodnie
ze schematem przedstawionym na rys. 2.
R12
1 0 kΩ
IN1
R5
1 kΩ
+12V
VR3
1 0 0 kΩ
-12V
R6
1 0 0 kΩ
+12V
+
OTP
-12V
R7
1 kΩ
Rys. 2. Schemat układu do badania wzmacniacza z kompensacją napięcia niezrównoważenia
B. Kompensacja napięcia niezrównoważenia
- zewrzeć wejście do masy, wykorzystując woltomierz lub oscyloskop zmierzyć napięcie stałe
na wyjściu wzmacniacza jeśli napięcie nie jest równe zero należy dokonać regulacji
potencjometrem VR3.
C. Obserwacja sygnału wyjściowego i pomiar współczynnika wzmocnienia napięciowego
- podłączyć generator przebiegu sinusoidalnego do wejścia wzmacniacza (IN1) i oscyloskop
do jego wyjścia (OTP);
- ustawić na generatorze sygnał o częstotliwości f=1kHz;
- regulując amplitudę sygnału wejściowego ustawić maksymalny niezniekształcony sygnał
wyjściowy;
- przerysować oscylogramy sygnału wejściowego i wyjściowego;
- regulując potencjometrem VR3 zaobserwować wpływ zmian wartości napięcia polaryzacji
drugiego wejścia wzmacniacza na przebieg napięcia wyjściowego.
D. Zadanie
- na podstawie oscylogramów obliczyć wzmocnienie napięciowe Ku .
4.3. Badanie wzmacniacza nieodwracającego
A. Warunki pomiarów
- wykorzystując moduł pomiarowy KL-23013, blok b połączyć schemat pomiarowy zgodnie
ze schematem przedstawionym na rys. 3.
R12
1 0 kΩ
R5
1 kΩ
IN2
Uwej
∼
+12V
OUT
+
-12V
R7
1 kΩ
Rys. 3. Schemat układu do badania wzmacniacza w układzie nieodwracającym
B. Obserwacja sygnału wyjściowego i pomiar współczynnika wzmocnienia napięciowego
- podłączyć generator przebiegu sinusoidalnego do wejścia wzmacniacza (IN2) i oscyloskop
do jego wyjścia (OTP);
- ustawić na generatorze sygnał o częstotliwości f=1kHz;
- regulując amplitudę sygnału wejściowego ustawić maksymalny niezniekształcony sygnał
wyjściowy, przerysować oscylogramy sygnału wejściowego i wyjściowego.
C. Zadanie
- na podstawie oscylogramów obliczyć wzmocnienie napięciowe Ku .
4.4. Badanie wtórnika napięciowego
A. Warunki pomiarów
- wykorzystując moduł pomiarowy KL-23013, blok b połączyć schemat pomiarowy zgodnie
ze schematem przedstawionym na rys. 4.
R11
1 kΩ
+12V
IN2
Uwej
∼
+
OUT
-12V
Rys. 4. Schemat układu do badania wtórnika napięciowego
B. Obserwacja sygnału wyjściowego i pomiar współczynnika wzmocnienia napięciowego
- podłączyć generator przebiegu sinusoidalnego do wejścia wzmacniacza (IN2) i oscyloskop
do jego wyjścia (OTP);
- ustawić na generatorze sygnał o częstotliwości f=1kHz;
- regulując amplitudę sygnału wejściowego ustawić maksymalny niezniekształcony sygnał
wyjściowy;
- przerysować oscylogramy sygnału wejściowego i wyjściowego;
- zaobserwować zmiany napięcia wyjściowego przy zmianach amplitudy napięcia
wejściowego.
C. Zadanie
- na podstawie oscylogramów obliczyć wzmocnienie napięciowe Ku .
4.5. Badanie wzmacniacza odejmującego
A. Warunki pomiarów
- wykorzystując moduł pomiarowy KL-23013, blok b połączyć schemat pomiarowy zgodnie
ze schematem przedstawionym na rys. 5.
R12
1 0 kΩ
+12V
R1
500Ω
U1
+12V
R1 0
500Ω
R4
4 , 7 kΩ
U2 R8
4 , 7 kΩ
+12V
+
R9
1 0 kΩ
Uwyj
-12V
Rys. 5. Schemat układu do badania wzmacniacza odejmującego
B. Pomiar napięć wejściowych i wyjściowych w układzie
- wykorzystując potencjometry R1 i R10 ustawić wartości napięć wejściowych U1 i U2
zgodnie z danymi zawartymi w tabeli 1;
- wykorzystując woltomierz lub oscyloskop zmierzyć napięcie wyjściowe układu Uwyj;
- wyniki zanotować w tabeli 1.
Tabela 1
U1 [V]
1
2
3
4
U2 [V]
2
2
1
1
Uwyj [V]
Uteor [V]
C. Zadanie
- obliczyć teoretyczną wartość napięcia wyjściowego Uteor wykorzystując wartości rezystorów
R4, R8 i R12 zamieszczone na rysunku 5.
4.6. Badanie wzmacniacza sumującego
A. Warunki pomiarów
- wykorzystując moduł pomiarowy KL-23013, blok b połączyć schemat pomiarowy zgodnie
ze schematem przedstawionym na rys. 6.
R12
1 0 kΩ
+12V
R3
1 0 kΩ
U1
R1
500Ω
+12V
VR3
1 0 0 kΩ
+12V
+
U2 R2
1 0 kΩ
Uwyj
-12V
-12V
Rys. 6. Schemat układu do badania wzmacniacza sumującego
B. Pomiar napięć wejściowych i wyjściowych w układzie
- wykorzystując potencjometry R1 i VR3 ustawić wartości napięć wejściowych U1 i U2
zgodnie z danymi zawartymi w tabeli 2;
- wykorzystując woltomierz lub oscyloskop zmierzyć napięcie wyjściowe układu Uwyj;
- wyniki zanotować w tabeli 2.
Tabela 2
U1 [V]
3
3
3
U2 [V]
3
2
-3
Uwyj [V]
Uteor [V]
C. Zadanie
- obliczyć teoretyczną wartość napięcia wyjściowego Uteor wykorzystując wartości rezystorów
R2, R3 i R12 zamieszczone na rysunku 6.
4.7. Badanie układu różniczkującego
A. Warunki pomiarów
- wykorzystując moduł pomiarowy KL-23013, blok a połączyć schemat pomiarowy zgodnie
ze schematem przedstawionym na rys. 7.
R2 1
1 kΩ
R2 0
5 0 kΩ
IN2
R1 4
270Ω
+12V
C1
0 ,1 µ F
+
R1 8
1 0 kΩ
-12V
OUT
Rys. 7. Schemat układu do badania układu różniczkującego
B. Obserwacja sygnałów w układzie różniczkującym
- podłączyć generator przebiegu trójkątnego do wejścia wzmacniacza (IN2), ustawić wartość
amplitudy Um=0,5V i częstotliwości f=1kHz;
- podłączyć oscyloskop do wyjścia (OTP);
- regulując potencjometrem R20 ustawić maksymalny niezniekształcony sygnał wyjściowy;
- przerysować oscylogramy sygnału wejściowego i wyjściowego;
- czynności powtórzyć dla innej częstotliwości.
C. Zadanie
- obliczyć teoretyczną wartość napięcia wyjściowego Uteor wykorzystując wartości rezystorów
i kondensatorów zamieszczone na rysunku 7.
4.8. Badanie układu całkującego
A. Warunki pomiarów
- wykorzystując moduł pomiarowy KL-23013, blok a połączyć schemat pomiarowy zgodnie
ze schematem przedstawionym na rys. 8.
R1 9 1 MΩ
C2
0 ,1 µ F
+12V
IN2
VR2
1 0 kΩ
+
R1 8
1 0 kΩ
-12V
OUT
Rys. 8. Schemat układu do badania układu różniczkującego
B. Obserwacja sygnałów w układzie całkujacym
- podłączyć generator przebiegu prostokątnego do wejścia wzmacniacza (IN2), ustawić
wartość amplitudy Um=0,05V i częstotliwości f=1kHz;
- podłączyć oscyloskop do wyjścia (OTP);
- regulując potencjometrem VR2 ustawić liniowy niezniekształcony sygnał wyjściowy;
- przerysować oscylogramy sygnału wejściowego i wyjściowego;
- czynności powtórzyć dla innej częstotliwości.
C. Zadanie
- obliczyć teoretyczną wartość napięcia wyjściowego Uteor wykorzystując wartości rezystorów
i kondensatorów zamieszczone na rysunku 8.
5. OPRACOWANIE SPRAWOZDANIA
Sprawozdanie powinno zawierać:
- krótki opis ćwiczenia;
- schematy ideowe układów pomiarowych;
- wyniki pomiarów;
- zdjęte oscylogramy i sporządzone wykresy;
- protokół pomiarowy podpisany przez prowadzącego ćwiczenie;
- przykładowe obliczenia;
- wnioski.