Instrukcja nr 4: zastosowania wzmacniaczy operacyjnych w

Politechnika
Białostocka
Wydział Elektryczny
Katedra Automatyki i Elektroniki
Instrukcja
do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu:
ELEKTRONIKA ENS1C300 022
ZASTOSOWANIE WZMACNIACZY OPERACYJNYCH W UKŁADACH LINIOWYCH
BIAŁYSTOK 2013
ZASTOSOWANIE WZMACNIACZY OPERACYJNYCH
W UKŁADACH LINIOWYCH
4.1. WSTĘP
W ćwiczeniu przedstawiono dwie grupy problemów, dotyczących zastosowań scalonych
wzmacniaczy operacyjnych. Pierwsza z nich to podstawowe zagadnienia związane z
kształtowaniem charakterystyk częstotliwościowych wzmacniaczy. Druga - to możliwości
wykorzystania wzmacniaczy operacyjnych do różnych celów, w ramach liniowego
przetwarzania sygnałów.
W ćwiczeniu bada się kolejno dwa układy. Pierwszy z nich to wzmacniacz o
jednobiegunowej charakterystyce dolnoprzepustowej, w którym m.in. mierzy się skończoną
szybkość zmian napięcia wyjściowego (slew rate).
Drugim badanym układem może być wzmacniacz o charakterystykach częstotliwościowych
kształtowanych za pomocą zewnętrznych elementów RC lub też układ mający spełniać zadaną
funkcję, np. sumowanie dwóch napięć. Wyboru rodzaju badanego układu dokonuje student.
Celem ćwiczenia jest ugruntowanie wiadomości dotyczących: elementarnej teorii
sprzężenia zwrotnego, asymptotycznych charakterystyk częstotliwościowych układów
wzmacniających i ich kształtowania, a także wskazanie istnienia wielu interesujących
zastosowań wzmacniaczy operacyjnych.
4.2. OPIS TECHNICZNY UKŁADU BADANEGO (WKŁADKA DA041A)
Wkładka DA041A zawiera wzmacniacz operacyjny µA 741 oraz zestaw dziewiętnastu
odpowiednio rozmieszczonych i połączonych zacisków. Zaciski te umożliwiają dołączenie do
wzmacniacza operacyjnego różnych elementów zewnętrznych: rezystorów, kondensatorów i
zwór. Schemat ideowy układu przedstawiono na rys.3.4.l. Na rysunku zachowano
rozmieszczenie zacisków takie samo, jak na płytce drukowanej w widoku
Rys. 3.4. l. Schemat ideowy części stałej układu badanego. Przerywanymi liniami połączono pary zacisków,
pomiędzy które można wmontować dodatkowe elementy
od strony elementów. Przełącznik suwakowy umożliwia dołączenie zacisku 3 do masy lub do
wejścia odwracającego wzmacniacza operacyjnego .
Rezystory R1 i R2 zmniejszają wpływ kabli połączeniowych na działanie układu i wyniki
pomiarów, natomiast rezystory R3 i R4 są dzielnikiem napięciowym niezbędnym dla
dopasowania zakresu napięć wyjściowych układu badanego do zakresu dopuszczalnych napięć
wejściowych przetwornika wartości szczytowej ac - dc SN5011.
W zależności od przeprowadzanego eksperymentu, źródłami sygnałów sterujących układ
badany mogą być: generator sinusoidalny przestrajany SN2013, generator impulsów
prostokątnych SN3021 lub regulowane źródło prądowe SA1111. Płytę czołową wkładki
DA041A przedstawiono na rys.3.4.2, a uproszczony schemat ideowy wzmacniacza µA 741 - na
rys.3.4.3.
Rys.3.4.2.Płyta czołowa wkładki DA041A
Rys. 3.4.3. Uproszczony schemat ideowy wzmacniacza operacyjnego µA741
Rys. 3.4.4 a), b), c), d), e), f)
Rys. 3.4.4. Asymptotyczne charakterystyki amplitudowe – założenia do projektowania wzmacniaczy. Nachylenia
odcinków charakterystyk wynoszą: O dB/dek, lub +20 dB/dek, albo -20 dB/dek.
a) integrator, przetwarzający falę prostokątną o amplitudzie 5V, współczynniku wypełnienia
około 0,2 i okresie równym 0,5 ms na napięcie trójkątne o wartości międzyszczytowej 2V .
Źródłem sygnału sterującego, spełniającego warunki przedstawione powyżej, jest generator
impulsów prostokątnych SN3021;
b) sumator dwóch napięć, spełniający zależność:
Uwy = -(0.5 Uwe1 + 3 Uwe2)
c) przetwornik prąd-napięcie, spełniający zależność:
Uwy = -1000 Iwe,
dla Iwe ∈ (0, 10 mA)
d) przetwornik prąd-napięcie, spełniający (co do wartości) zależność:
Uwy = -500 Iwe,
dla Iwe ∈ (-20 mA, +20 mA)
e) wzmacniacz o wzmocnieniu regulowanym płynnie w zakresie wartości od –1 do +1;
f) przesuwnik fazy sygnału sinusoidalnego, o regulowanym płynnie przesunięciu fazy
między napięciami na jego wejściu i wyjściu. Minimalny zakres regulacji od 5° do 175°.
Częstotliwość sygnału 1 kHz;
g) wzmacniacz różnicowy o wzmocnieniu różnicowym wynoszącym 2.
Konfigurację każdego układu należy zaprojektować tak, aby był on realizowalny we
wkładce DA041A.
4.3. OBSERWACJE I POMIARY
4.5.1 Pomiary charakterystyk wzmacniacza operacyjnego z rezystancyjnym obwodem
sprzężenia zwrotnego.
Po wmontowaniu, obliczonych wg danych z punktu. 4.4 rezystorów, na płytkę drukowaną
wkładki DA041A, należy zmierzyć charakterystykę częstotliwościową ku(f) (amplitudową i
fazową) wzmacniacza. Wykorzystać do tego celu generator sinusoidalny przestrajany SN2013
oraz przetworniki: wartości szczytowej ac-dc SN3011 lub SZ5031 i kąt-napiecie SA5111l.
Wartość amplitudy napięcia wyjściowego generatora ustalić i zmierzyć przed pomiarem
charakterystyki.
Należy pamiętać (p. rozdz. 2) , ze przetworniki pracują poprawnie wtedy, gdy amplitudy
napięć na ich wejściach nie przekraczają 5V. Trzeba więc tak dobrać warunki pomiarów, aby
omawianą charakterystykę - oraz inne, badane w dalszej kolejności - można było zmierzyć
prawidłowo. W tym celu należy m. in. odpowiednio wykorzystać możliwości, wynikające z
istnienia dzielników napięcia na wyjściach generatora sinusoidalnego SN2013 i układu
badanego.
Schematy połączeń układu pomiarowego w tym eksperymencie mogą się nieco różnić - w
zależności od tego, które wejścia i wyjścia wkładki DA041A oraz aparatury pomocniczej,
zostaną wykorzystane. Przykładowy schemat przedstawiono na rys. 3.4.5.
Zagadnienia:
a) porównać wyniki obliczeń i pomiarów. W komentarzu skorzystać z charakterystyk
wzmacniacza operacyjnego µA 741 zawartych w Dodatku;
b) wyjaśnić, czy w czasie pomiaru charakterystyki częstotliwościowej wystąpiło
ograniczenie szybkości zmian napięcia wyjściowego.
Rys.3.4.3. Przykładowy schemat połączeń układu do pomiarów
charakterystyk częstotliwościowych wzmacniaczy
4.5.2. Pomiar maksymalnej szybkości zmian napięcia wyjściowego
Zmierzyć, korzystając z oscyloskopu, maksymalną szybkość zmian napięcia wyjściowego
we wzmacniaczu badanym w punkcie 4.5.1. Do wysterowania układu należy użyć generatora
impulsów prostokątnych SN3021.
Zagadnienia;
a) porównać zmierzoną wartość maksymalnej szybkości zmian napięcia wyjściowego
badanego wzmacniacza z danymi katalogowymi układu scalonego µA 741. Wyjaśnić
ewentualne różnice;
b) wyjaśnić, czy maksymalna szybkość zmian napięcia wyjściowego zależy od wartości
wzmocnienia układu ze wzmacniaczem scalonym.
4.5.3. Pomiary charakterystyk wzmacniacza kształtowanych za pomocą elementów RC,
włączonych w obwód sprzężenia zwrotnego
Zmontować układ badany obliczony wg danych zawartych na rys. 3.4.4 a następnie
zmierzyć jego charakterystykę ku(f) - amplitudową i fazową.
Zagadnienia:
a) porównać wyniki pomiarów z założeniami projektowymi i wyjaśnić ewentualne
niezgodności.
4.5.4. Pomiary właściwości układu o zadanym zastosowaniu
Zmontować wybrany i obliczony uprzednio układ oraz sprawdzić, czy spełnia zadaną
funkcję. W przypadku niepowodzenia należy układ korygować, aż do osiągnięcia założonego
celu.
Zagadnienia:
a) opisać, w jaki sposób sprawdzono właściwości badanego układu.
4.6. Wymagania BHP
Warunkiem przystąpienia do realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z obowiązującą w
laboratorium instrukcją BHP oraz przestrzeganie w niej zawartych zasad.
4.7. LITERATURA
[1] Filipkowski A. Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe. WNT,
Warszawa 2003.
[2] Nadachowski M., Kulka Z. Analogowe układy scalone. WKŁ,
Warszawa 1989.