OP-förstärkaren, INV, ICKE INV Komparator och Schmitt-trigger

Transkript

1 OP-förstärkaren, INV, ICKE INV Komparator och Schmitt-trigger Resistiv förskjutningsgivare OP-förstärkare OP-förstärkaren, operationsförstärkaren, är den analoga elektronikens mest universella byggsten. Med en OP-förstärkare och några resistorer är det möjligt att bygga förstärkare vars signalförstärkning bestäms uteslutande av kvoten mellan de ingående resistansvärdena. Under försöket kommer Du att få koppla upp de två vanligaste förstärkarkopplingarna, inverteraren och icke inverteraren. OP-förstärkaren används också vid digitalisering av analoga signaler. Det finns enkla fall då det räcker att avgöra om en mätstorhet ligger under eller över en bestämd gräns. Under försöket kommer Du att koppla upp de vanligaste digitaliseringskopplingarna för denna tillämpning, komparatorn och Schmitt-triggern. Enkel eller dubbel matningsspänning OP-förstärkare matas i allmänhet med dubbel matningspänning (till exempel ofta ±15V), även om det numera finns flera typer som kan arbeta med enkel matningsspänning. Den inverterande förstärkarkopplingen behöver dubbel matningsspänning även om inspänningen bara har en polaritet. I denna laboration har vi bara tillgång till ett 9 V-batteri, och får därför ta till ett konstgrepp. Vi skapar en konstgjord 0-punkt genom att dela batterispänning i två halvor (+9 = ±4,5V). Enklast gör man det med en spänningsdelare bestående av två resistorer, men det finns även speciella kretsar för detta ändamål. Kretsarna har fördelen att den konstgjorda 0-punkten behåller ett stabilt värde även om 0-punkten belastas med en ström. 1

2 Skjutpotentiometer En skjutpotentiometer kan användas för att mäta linjära förflyttningssträckor. Till detta försök har vi monterat en sådan på ett skjutmått. Potentiometern, som har värdet 10 kω, spänningsmatas med det konstanta framspänningsfallet hos två dioder. (Som i sin tur matas från batteriet och 0- punktskretsen). Potentiometern har slaglängden 60 mm, och spänningen från potentiometerkretsen varierar linjärt med förskjutningen från mittpunkten (c:a ± 0,6 V). Inverterare och icke inverterare De två vanligaste förstärkarkopplingarna med OP-förstärkare är den inverterande kopplingen och den icke inverterande kopplingen. Vid försöken har Du tillgång till fyra precisionsmotstånd med resistansvärdena 1 kω, 3 kω, 15 kω och 30 kω. Förberedelseuppgift Sök igenom tabellen och ringa in: Vilka resistorkombinationer ger 3 ggr förstärkning? Vilken är den högsta förstärkning som kan "ställas in" med dessa resistorer? Vilken är den lägsta förstärkning som kan "ställas in" med dessa resistorer? (Du behöver förmodligen inte räkna fram alla värden för att kunna svara på förberedelseuppgiften) 2

3 Icke inverteraren Inverteraren R 1 R 2 F R 1 R 2 F 1 kω 3 kω 15 kω 30 kω 3 kω 1 kω 30 kω 15 kω 1 kω 15 kω 3 kω 30 kω 15 kω 1 kω 30 kω 3 kω 1 kω 30 kω 3 kω 15 kω 30 kω 1 kω 15 kω 3 kω 3 kω 15 kω 1 kω 30 kω 15 kω 3 kω 30 kω 1 kω 15 kω 30 kω 1 kω 3 kω 30 kω 15 kω 3 kω 1 kω 3 kω 30 kω 1 kω 15 kω 30 kω 3 kω 15 kω 1 kω Mätförstärkare 3

4 Förberett på kopplingsdäcket... Förstärk spänningen från potentiometern 3 ggr. Koppla först upp den icke inverterande förstärkarkopplingen, och sedan den inverterande. Mät utspänningen med Scopemetern. Fyll i sambandet mellan förflyttningssträcka och utspänning från de båda förstärkarkopplingarna i diagrammet nedan. Av dina kurvor framgår förmodligen att en av OP-förstärkarkopplingarna är mindre lämplig tillsammans med potentiometergivaren! Vilken? Varför? (Se avsnittet "Potentiometerkretsens inre resistans") 4

5 Komparator och Schmitt-trigger Koppla OP-kretsen så att Du får en komparator. Med två lysdioder (vända för olika polaritet) kan man indikera polariteten på OP-förstärkarens utgång. Undersök funktionen. Mät OPförstärkarens maximala utspänningar med Scopemetern. + U UTmax - U UTmax Schmitt-trigger Schmitt-triggern har positiv återkoppling. Detta gör att omslaget sker snabbt, men att omslagsnivåerna kommer att avvika något från referensnivån (som är 0 V, GND), kretsen kommer att uppvisa Hysteres. För Schmitt-triggerns omslagsnivåer ± U T gäller följande samband: Koppla upp Schmitt-triggern. Låt R 1 = 1 kω och R 2 = 30 kω. Följ likspänningen på Schmitttriggerns "-" ingång med Scopemetern, och ge akt på vid vilka spänningar som omslagen sker? (Omslagen ser Du med lysdioderna). Beräkna de teoretiska omslagsnivåerna enligt formeln. Jämför i tabellen nedan! 5

6 Beräknat Uppmätt +U T -U T +U T -U T När använder man Schmitt-trigger respektive vanlig komparator? Antag att Du mäter temperaturen i en ugn med en resistanstermometer. Du vill hålla temperaturen någorlunda konstant vid 200 C genom att styra ugnens värmeelement Av/På. Väljer Du Schmitt-trigger eller komparator? (Fördelar/nackdelar?) Potentiometerkretsens inre resistans Skjutpotentiometerns inre resistans ändrar sig med läget! Gör så här för att mäta den inre resistansen Teori: Om potentiometerkretsen belastas med ett trim-motstånd (5 kω) så att utspänningen sjunker till hälften av det obelastade värdet, så har detta motstånd samma värde som den inre resistansen R IN! Utförande: Mät spänningen E mellan skjutmotståndets mittuttag och Gnd utan trim-motståndet. Sätt sedan dit trim-motståndet, och justera detta tills den uppmätta spänningen minskat till hälften. Tag därefter bort trim-motståndet och mät upp dess resistans med Scopemetern. Upprepa detta för tre olika skjutmotståndslägen. Läge 5 mm 15 mm 25 mm R IN William Sandqvist 6