Ćwiczenie 4 \(wk³adka DA 041 A\)

P.Rz. K.P.E.
Laboratorium Elektroniki 2FD
2003/10/01
WZMACNIACZ OPERACYJNY W UKŁADACH LINIOWYCH
1. CEL ĆWICZENIA
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.
2. 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 (slow rate).
Drugim badanym układem jest 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 prowadzący.
3. OPIS TECHNICZNY WKŁADKI 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.1. Na rysunku zachowano rozmieszczenie zacisków takie samo, jak na
płytce drukowanej (widok od strony elementów). Przełącznik suwakowy umożliwia dołączenie zacisku 3
do masy lub do wejścia odwracającego wzmacniacza operacyjnego.
WE1
WE2ac
WE2dc
1
4
2
13
15
16
3
14
17
R1
15V
5
6
4
10
7
12
8
9
11
5
US1
+
WE3
11
18
10
6 µA741
-15V
19
2,2k
741
R2
x1
R5
51
WY
OSC
2,4k
R3
4,7k
x 0,5
R4
4,7k
Rys.1. Schemat ideowy części stałej układu badanego. Przerywanymi liniami połączono pary zacisków,
pomiędzy które można dołączyć dodatkowe elementy
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 na przykład przetwornika
wartości szczytowej ac – dc SN5011.
W zależności od przeprowadzanego eksperymentu, źródłami sygnałów sterujących układu badanego
mogą być: generator sinusoidalny przestrajany SN2013, generator impulsów prostokątnych SN3021 lub
1
P.Rz. K.P.E.
Laboratorium Elektroniki 2FD
2003/10/01
regulowane źródło prądowe SA1111. Płytę czołową wkładki DA041A przedstawiono na Rys.2, a
uproszczony schemat ideowy wzmacniacza µA 741- na Rys. 3.
V+
DA 041A
outputs
inputs
T8
1
x1
2
AC
x 0,5
2
DC
741
3
osc
T12
T9
T13
30pF
T1
WE+
T2
WE-
T4
39k
T3
T16
25
1,6UBE
WY
T14
50
T7
T15
T6 T10
T5
nor
ipe
1k
50k
1k
T11
5k
T17
50k
50
V-
Rys.2.Płyta czołowa wkładki DA041A
µA741
Rys.3. Uproszczony schemat ideowy wzmacniacza operacyjnego
4. WYKAZ APARATURY POMOCNICZEJ
Do wykonania ćwiczenia potrzebne są następujące przyrządy pomocnicze:
- generator sinusoidalny przestrajany
SN2013,
- generator impulsów prostokątnych
SN3021,
- regulowane źródło prądowe
SA1111,
- przetwornik wartości szczytowej ac – dc
SN5011 lub SZ5031,
- przetwornik kąt – napięcie
SA5111,
- przełącznik dwukanałowy dc
SA4011,
- przełącznik czterokanałowy ac
SN4222,
- oscyloskop dwukanałowy
5. OBLICZENIA WSTĘPNE I PROJEKTOWE
5.1. Zaprojektowanie pierwszego badanego wzmacniacza polega na obliczeniu wartości rezystorów
dołączonych następnie do zacisków płytki drukowanej tak, aby wzmocnienie napięciowe układu, dla
częstotliwości bliskich zeru, było równe dwom (jednej dodatniej i jednej ujemnej), dowolnie
wybranych z Tablicy.1. wartości. Rezystancja wejściowa zaprojektowanego wzmacniacza oraz
drugiego badanego układu nie może być mniejsza niż 2 kΩ.
Tablica 1 Wartości wzmocnienia układu badanego kU0 [V/V]
+110
+51
-110
-50
+91
+61
-90
-60
+31
+21
-30
-20
5.2. Zakładając, że w układzie badanym wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego dla składowej stałej i z
otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego wynosi 100000 ± 20%, a częstotliwość bieguna dominującego
5Hz ± 20%, należy określić zakres częstotliwości, w którym powinna zawierać się górna
częstotliwość graniczna fg3dB wzmacniacza określonego w p 5.1.
5.3 Zaproponować schemat ideowy oraz obliczyć wartości elementów dyskretnych wzmacniacza o
asymptotycznej charakterystyce amplitudowej wybranej dowolnie spośród zamieszczonych na
Rys.4. Narysować przewidywaną asymptotyczną charakterystyką fazową.
2
P.Rz. K.P.E.
Laboratorium Elektroniki 2FD
2003/10/01
5.4 Zaproponować schemat ideowy oraz obliczyć wartości elementów dyskretnych, aby otrzymać dwa z
niżej wymienionych układów:
a) integrator przetwarzający fale 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 = -(0,5Uwe1 + 3Uwe2 )
a)
b)
ku [V/V]
-100
-100
-10
-10
-1
0,01 0,1
c)
1
10 100
f [kHz]
-2
-1
d)
ku [V/V]
-100
ku [V/V]
0,02
1
10 100
f [kHz]
ku [V/V]
-100
-20
-10
-10
-1
0,05
e)
1
10 100
f [kHz]
-2
-1
0,01
f)
ku [V/V]
-100
-50
-100
-50
-10
-10
-1
g)
0,05
1
10 50
f [kHz]
-1
h)
ku [V/V]
-100
0,5
10 100
f [kHz]
ku [V/V]
0,1
1 5
100
f [kHz]
ku [V/V]
-100
-30
-10
-1
-10
0,01 0,3
10 100
f [kHz]
Rys.4.
Asymptotyczne
-1
0,1
1
10 100
f [kHz]
charakterystyki amplitudowe – założenia do projektowania wzmacniaczy. Nachylenia odcinków
charakterystyk wynoszą: 0 dB/dek, lub +20 dB/dek, albo –20 dB/dek
3
P.Rz. K.P.E.
Laboratorium Elektroniki 2FD
2003/10/01
c) przetwornik prąd – napięcie, spełniający (co do wartości) zależność :
Uwy = -1000Iwe
dla
Iwe ∈ (0, +10 mA)
d) przetwornik prąd – napięcie, spełniający (co do wartości) zależność:
Uwy = -500Iwe
dla
Iwe ∈ (-20mA, +20mA)
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 na wkładce DA041A.
6. OBSERWACJE I POMIARY
6.1.POMIARY
CHARAKTERYSTYK WZMACNIACZA
OBWODEM SPRZĘŻENIA ZWROTNEGO
OPERACYJNEGO
Z
REZYSTANCYJNYM
Po wmontowaniu kolejno, obliczonych wg. danych z punktu 5 rezystorów, na płytkę drukowaną
wkładki DA041A, należy zmierzyć charakterystyki częstotliwościowe (amplitudową kU (f) i fazową ϕ(f))
wzmacniacza. Wykorzystać do tego celu generator sinusoidalny przestrajany SN2013 oraz przetworniki:
wartości szczytowej ac – dc SN5011 lub SZ5031 oraz kąt – napięcie SA5111 lub oscyloskop
dwukanałowy. Wartość amplitudy napięcia wejściowego generatora ustalić i zmierzyć przed pomiarem
charakterystyki.
Należy pamiętać (patrz p. 3), że 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 jaka aparatura pomocnicza zostanie wykorzystana.
Przykładowy schemat przedstawiono na Rys.5.
przetw.
kąt - nap.
SA5111
przeł.
dc
SA4011
Cz.C.
przeł. ac
SN4222
A
generator
SN2013
B
ukł. bad.
DA041A
2V
1
x1
0,2V
2
x0,5
C
D WY
741
3
wyzw.
osc
WY
1
2
A
Przetw.
AC/DC
SN 5011
A
B
WY
B
Oscyloskop
WE
WY
V. C.
Rys.5. Przykładowy schemat połączeń układu do pomiarów charakterystyk częstotliwościowych wzmacniaczy.
6.2.POMIAR MAKSYMALNEJ SZYBKOŚCI ZMIAN NAPIĘCIA WYJŚCIOWEGO
Zmierzyć, korzystając z oscyloskopu, maksymalną szybkość zmian napięcia wyjściowego we
wzmacniaczu badanym w punkcie 6.1. Do wysterowania układu należy użyć generatora impulsów
prostokątnych SN3021.
6.3. POMIAR CHARAKTERYSTYK WZMACNIACZA KSZTAŁTOWANYCH ZA POMOCĄ ELEMENTÓW
R, C WŁĄCZONYCH W OBWÓD SPRZĘŻENIA ZWROTNEGO
Zmontować układ badany obliczony wg. danych zawartych na Rys.4, a następnie zmierzyć jego
charakterystykę ku (f) – amplitudową i fazową ϕ(f).
4
P.Rz. K.P.E.
Laboratorium Elektroniki 2FD
2003/10/01
6.4. 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.
7. OPRACOWANIE WYNIKÓW
1. Porównać wyniki obliczeń i pomiarów. W komentarzu skorzystać z charakterystyk wzmacniacza
operacyjnego µA741 zawartych w dodatku; (patrz p. 6.1.)
2. Wyjaśnić, czy w czasie pomiaru charakterystyki częstotliwościowej wystąpiło ograniczenie szybkości
zmian napięcia wyjściowego (patrz p. 6.1.)
3. Porównać zmierzoną wartość maksymalnej szybkości zmian napięcia wyjściowego badanego
wzmacniacza z danymi katalogowymi układu scalonego µA741. Wyjaśnić ewentualne różnice
(patrz p. 6.2.)
4. Wyjaśnić, czy maksymalna szybkość zmian napięcia wyjściowego zależy od wartości wzmocnienia
układu ze wzmacniaczem scalonym (patrz p. 6.2.).
5. Porównać wyniki pomiarów z założeniami projektowymi i wyjaśnić ewentualne niezgodności
(patrz p. 6.3.).
6. Opisać, w jaki sposób sprawdzono właściwości badanego układu (patrz p. 6.3.).
5