Instrukcja nr 6: zastosowania wzmacniaczy operacyjnych w

Politechnika
Białostocka
Wydział Elektryczny
Katedra Automatyki i Elektroniki
Instrukcja
do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu:
ELEKTRONIKA EKS1A300024
Zastosowania wzmacniaczy operacyjnych
w układach nieliniowych
Białystok 2015
1
1. Cel ćwiczenia
- praktyczne zapoznanie się z metodami wykorzystania wzmacniaczy operacyjnych do realizacji
układów nieliniowych,
- doświadczalna weryfikacja parametrów zaprojektowanego układu,
- opanowanie metod uruchamiania układu oraz korygowania jego parametrów.
2. Opisy badanych układów
Układy wykorzystujące dwójnik o nieliniowej charakterystyce prądowo-napięciowej
Niektóre układy o prostych charakterystykach
nieliniowych można zrealizować wykorzystując
dwójnik o nieliniowej charakterystyce prądowonapięciowej.
Rozważmy układ przedstawiony na rys. 1.
Załóżmy, że charakterystyka prądowo-napięciowa
dwójnika nieliniowego opisana jest następującymi
funkcjami:
Ux = frx(Ix) oraz Ix = fgx(Ux), gdzie funkcje frx i fgx
są wzajemnie odwrotne.
Jeśli wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego jest
Rys. 1
dostatecznie duże, spełniony jest warunek U1 ≈ 0.
Wówczas prawdziwe są równania: Uwy = Ux = frx(Ix) oraz Uwe = UR1, a jeśli założymy, że wejście
wzmacniacza operacyjnego nie pobiera prądu, to oczywiście musi być spełniony warunek: IR1 = -Ix.
Napięcie wejściowe jest związane z prądem IR1 zależnością: Uwe = R1IR1, czyli Uwe = -R1Ix, z czego
wynika, że Ix = -Uwe/R1. Ostatecznie otrzymujemy zależność: Uwy = -frx(Uwe/R1). Czyli charakterystyka
przejściowa ma taki sam kształt jak charakterystyka prądowo-napięciowa dwójnika X1.
W podobny sposób możemy uzyskać układ
o charakterystyce przejściowej, odpowiadającej
charakterystyce napięciowo-prądowej dwójnika
nieliniowego X2 (rys.2.). Załóżmy, jak poprzednio,
że dwójnik nieliniowy X2 jest opisany
charakterystykami: Ux = frx(Ix) oraz Ix = fgx(Ux).
Stosując analogiczne założenia i przekształcenia
otrzymamy zależność Uwy = -R2fgx(Uwe). Jednak w
ten sposób zrealizowany układ ma niepożądaną
właściwość - jego rezystancja wejściowa jest
nieliniowa
(rezystancja
wejściowa
układu Rys. 2
przedstawionego na rys.1. jest stała i równa R1). W
obu prezentowanych układach rezystancja "widziana" z wejścia odwracającego wzmacniacza
operacyjnego ma charakter nieliniowy, w związku z czym efektywna kompensacja prądów wejściowych wzmacniacza może nastręczać trudności.
2
Ograniczanie napięcia na wyjściu wzmacniacza
W przypadku dyskryminatorów możemy uzyskać żądaną charakterystykę wykorzystując
wzmacniacz operacyjny pracujący bez sprzężenia zwrotnego, jedynie ograniczając napięcie wyjściowe
za pomocą diody Zenera. Jeśli chcemy wykorzystać taki
układ, pamiętajmy o wprowadzeniu rezystora R
ograniczającego prąd wyjściowy wzmacniacza (rys.3.).
Większość wzmacniaczy operacyjnych posiada
wewnętrzne zabezpieczenie przed zwarciem wyjścia,
jest
możliwe
pominięcie
rezystora
więc
zabezpieczającego. W takim przypadku należy
Rys. 3
zastanowić się, czy nie ma niebezpieczeństwa
przegrzania diody lub wzmacniacza. Musimy mieć również świadomość, że w takim układzie
wzmacniacz operacyjny nasyca się, co wpływa niekorzystnie na szybkość działania układu.
Jeśli do realizacji układu potrzebne jest źródło napięcia stałego o określonej wartości,
możemy wykorzystać odpowiedni dzielnik rezystancyjny (jeśli da się go zmontować na używanej
makiecie), albo zasilacz laboratoryjny.
3. Opis makiety laboratoryjnej
Uniwersalna makieta laboratoryjna (rys. 4, 5) pozwala na badanie układów ze wzmacniaczem
operacyjnym. Wzmacniacz może pracować ze sprzężeniem zwrotnym ujemnym lub/i dodatnim albo
bez sprzężenia zwrotnego.
Rys. 4 Widok makiety laboratoryjnej do badania układów nieliniowych ze wzmacniaczami operacyjnymi.
3
Makieta zawiera podstawkę do układów scalonych DIP8 , w której należy umieścić wzmacniacz
operacyjny (np. TL081), złącza typu WAGO 255-502 z przyciskami i zaciskami sprężynowymi, które
pozwalają na umieszczenie potrzebnych elementów (diody, rezystory, kondensatory, zworki) oraz
gniazda BNC i gniazda bananowe, służące do doprowadzenia zasilania oraz sygnałów.
Rys. 5 Schemat ideowo - montażowy makiety, z zachowaniem rozmieszczenia elementów.
4. Układy do realizacji
Uwaga! Wartość rezystancji wejściowej projektowanych układów nie może być
mniejsza niż 1 kΩ.
1. Dyskryminator progowy (detektor przejścia
przez zero) o charakterystyce statycznej jak na
rys. 6. Wymagana jest realizacja z elementem
nieliniowym umieszczonym w pętli sprzężenia
zwrotnego.
Rys. 6
4
2. Dyskryminator progowy (detektor przejścia
przez zero) o charakterystyce statycznej jak na
rys. 7. Wymagana jest realizacja z elementem
nieliniowym umieszczonym w pętli sprzężenia
zwrotnego.
Rys. 7
3. Dyskryminator progowy
statycznej jak na rys. 8.
o charakterystyce
Rys. 8
4. Dyskryminator okienkowy o charakterystyce
statycznej jak na rys. 9.
Rys. 9
5. Dyskryminator progowy z histerezą o charakterystyce statycznej jak na rys. 10.
Rys. 10
5
6. Ogranicznik napięcia
statycznej jak na rys. 11.
o
charakterystyce
Rys. 11
7.
Dwustronny
ogranicznik
napięcia
o charakterystyce statycznej jak na rys. 12.
Rys. 12
8.
Ogranicznik
napięcia
(funkcjonalnie
prostownik jednopołówkowy) o charakterystyce
statycznej jak na rys. 13.
Rys. 13
9.
Ogranicznik
napięcia
(funkcjonalnie
prostownik jednopołówkowy) o charakterystyce
statycznej jak na rys. 14.
Rys. 14
6
10. Układ kształtujący sygnał o charakterystyce
statycznej jak na rys. 15.
Rys. 15
11. Prostownik dwupołówkowy o wzmocnieniu
1 V/V - charakterystykę statyczną przedstawiono
na rys. 16.
Rys. 16
12. Wzmacniacz o logarytmicznej charakterystyce statycznej danej wzorem: Uwy=A ln(Uwe/B),
gdzie A i B są stałymi współczynnikami dodatnimi o wymiarze napięcia. Wartość rezystancji
wejściowej układu nie może być mniejsza niż 10 kΩ. Układ ma pracować poprawnie dla napięć
wejściowych zmieniających się w zakresie od 0,1V do 10V.
13. Wzmacniacz o wykładniczej charakterystyce statycznej danej wzorem: Uwy=A exp(Uwe/B),
gdzie A i B są stałymi współczynnikami dodatnimi o wymiarze napięcia. Rezystancja
wejściowa układu nie może być mniejsza niż 10 kΩ, napięcie wejściowe dodatnie.
14.
Generator fali trójkątnej o częstotliwości 5 kHz, wartości międzyszczytowej napięcia
wyjściowego równej 6V, wartości średniej napięcia wyjściowego równej 0 V.
5. Sprzęt niezbędny do wykonania ćwiczenia
•
•
•
•
•
makieta laboratoryjna
oscyloskop cyfrowy
generator funkcyjny
zasilacz laboratoryjny
multimetry
7
6. Przygotowanie do pracy w laboratorium (część projektowa ćwiczenia)
6.1 Z poniższej tabeli, na podstawie numeru zespołu laboratoryjnego, wybierz układy do realizacji.
6.2 Zaprojektuj układy, realizujące zadane funkcje nieliniowe. Zastanów się nad rozmieszczeniem
poszczególnych elementów na makiecie laboratoryjnej.
6.3 Opisz zasadę działania zaprojektowanego układu i przewidywane błędy realizacji założonej
funkcji nieliniowej wraz z ich przyczynami.
6.4 Wyjaśnij wpływ poszczególnych elementów na kształt charakterystyki.
Tabela 1. Zestawienie zadań projektowych dla poszczególnych zespołów laboratoryjnych
Numer zespołu
Numery układów
1
1, 5, 8, X
2
6, 9, 11, X
3
4, 7, 14, X
gdzie X oznacza dowolny układ spoza wyznaczonych dla danego zespołu.
7. Praca w laboratorium (część doświadczalna ćwiczenia)
7.1 Zbuduj pierwszy zaprojektowany przed zajęciami układ nieliniowy.
7.2 Dokonaj pomiaru charakterystyki układu metodą oscyloskopową (preferowane) lub metodą punkt
po punkcie. W przypadku wybrania metody oscyloskopowej wykorzystaj przebieg trójkątny lub
sinusoidalny o niskiej częstotliwości (30÷100 Hz) i odpowiednio dobranej amplitudzie oraz
oscyloskop pracujący w trybie X-Y. Zarejestruj uzyskane charakterystyki.
7.3 Zarejestruj przebiegi napięcia wejściowego i wyjściowego.
7.4 Sprawdź wpływ częstotliwości przebiegu (1kHz, 5kHz, 15kHz) na kształt charakterystyk.
Zarejestruj uzyskane charakterystyki.
7.5 Zastanów się, jakie są przyczyny obserwowanych zniekształceń charakterystyki. Spróbuj
uzasadnić obserwowane efekty przyjmując, że typowa wartość "slew-rate" dla wzmacniacza TL081
jest rzędu 13V/µs, zaś dla uA741 jest rzędu 0,5 V/µs. Uwzględnij pojemności diod
półprzewodnikowych.
8. Literatura
1. Baranowski J., Czajkowski G. Układy elektroniczne, cz. II - Układy analogowe nieliniowe
i impulsowe, WNT, 2004
2. Górecki P. Wzmacniacze operacyjne, Wydawnictwo BTC, 2004
3. Horowitz P., Hill W. Sztuka elektroniki, WKiŁ, 2013
8