Laboration Tema OP Analog elektronik för Elkraft 7.5 hp 1
Applikationer med operationsförstärkare Operationsförstärkaren är ett byggblock för analoga konstruktörer. Den går att använda för att förstärka små signaler, för att isolera steg från varandra, jämföra analoga signaler mm. I följande uppgifter så kan du välja op-kretsar som tex. TL071, OP ua741 eller CA3140. Dessa har alla 8 ben på kapseln och kopplas in precis likadant. Även LM324 som innehåller 4 st op-förstärkare i samma kapsel går utmärkt att använda men denna har 14 ben. Datablad och bild över bennumreringen finns på många ställen, tex på nätet hos elfa.se eller så kan man hitta dem via en sökmotor. För att konstruera aktiva filter och oscillatorer kombinerar man frekvensberoende komponenter R, L och C med Operationsförstärkare. Op-kretsen ska dubbelmatas t.ex. med ±15 V och detta görs då med två spänningsaggregat. Gemensam nollpunkt fås genom att koppla enligt nedan. + + t.ex. 15 V nollpunkt 0 V t.ex. +15 V Redovisning av laborationen (Viktigt!) Laborationen består av åtta uppgifter. Uppgifterna 1-6 är obligatoriska, samt en av uppgifterna 7 eller 8. Du väljer vilket av dem du vill göra. Om du enbart siktar på godkänt (1 poäng) i denna lab, ska du göra uppgift 7. Om du istället siktar på ett extra poäng (dvs 2 poäng) till ditt betyg ska du välja att göra uppgift 8. För uppgift 8 gäller då att du måste ha löst den korrekt för att få ditt extra poäng. Om du får åter på uppgift 8 är det godkänt (dvs 1 poäng) som gäller på labben, när eventuella felaktigheter är åtgärdade. Laborationen redovisas med en skriflig rapport (t.ex. med Word. Ej handskrivet). Rapporten ska, för de sju uppgifterna, innehålla kopplingsschema, eventuella teoretiska beräkningar, svar på frågor, och resultat från mätningen och/eller simuleringen (tex foto, skärmbild) som visar hur du gjort mätningen/simuleringen. Beräkningar kan skrivas direkt i ordbehandlar-mjukvaran eller också skrivas för hand och scannas/fotas in i dokumentet. Spara gärna rapporten i pdf-format. 2
Uppgift 1. Inverterare a) Konstruera en inverterare med spänningsförstärkning +20dB och inimpedans (inresistans i detta fall) ca 20kΩ. b) Visa hur man räknar ut den teoretiska förstärkningen. (Härled uttrycket för F = Uut/Uin) c) Rita kopplingsschema (gärna i OrCad). d) Koppla upp din förstärkare. Anslut +0.5V dc till ingången, vilken utsignal får du? e) Vad är den praktiska förstärkningen (i din koppling)? (spara uppkopplingen till uppgift 3). Uppgift 2. Icke-inverterare a) Konstruera en icke-inverterande förstärkare med spänningsförstärkningen +20 db. b) Visa hur man räknar ut den teoretiska förstärkningen. c) Rita kopplingsschema (gärna i OrCad). d) Koppla upp din förstärkare. Anslut +0.5 V till ingången, vilken utsignal får du? e) Vad är den praktiska förstärkningen (i din koppling)? (spara uppkopplingen till uppgift 3). Uppgift 3. Kaskadkopplade förstärkare a) Anslut en signalkälla (tomgångspänning 0.1 V) med inre resistans på ca 20 kω till en kaskadkoppling (seriekoppling) av stegen från uppgift 1 och 2 enligt nedanstående schema. Vilken utspänning får du? 3
b) Kasta om ordningen på förstärkarblocken så att nedanstående koppling fås. Vilken utspänning får du nu? c) Varför har ordningen betydelse för den totala förstärkningen i dessa fall? Uppgift 4. Komparator med OP a) Konstruera en komparator med referensspänningen U ref = 2,0 V. Du kan välja en verklig eller en simulerad komparator. Följande jämförelse skall göras: Om U in är: >Uref <Uref så ska U ut vara: Vsat+ Vsat b) Rita kopplingsschema. c) Anslut en sinusformad spänning med amplitud 5 V till komparatorns ingång. Eller simulera kopplingen med motsvarande insignal. d) Rita insignal och utsignal i samma diagram som U ref. eller ta fram samma signaler med OrCAD och bifoga. e) Kommentera ditt diagram. 4
Uppgift 5. Aktivt filter ett litet försök I princip så skulle man kunna ordna ett 2:a ordningens filter (lutar 40 db/dekad) genom att kaskadkoppla (seriekoppla) två stycken passiva RC-länkar enligt nedan. Detta skulle man kunna tro ger upphov till en överföringsfunktion ( förstärkning ) U U ut in 1 j RC 1 1 j RC j 1 a) Nu kommer detta inte att fungera! Varför? Fundera över villkoren som måste uppfyllas för att funktionen ovan ska gälla. Ett tips är att tänka på hur kretsar kan belasta varandra. b) Med hjälp av en OP-koppling kan man få det att bli enligt ovan. Hur? Ett tips är att titta på en spänningsföljare. c) Använd två likadana R respektive C och koppla upp din krets och testa. d) Mät U ut och U in för ett antal frekvenser och rita ett Bode-diagram (över Uut/Uin). Eller rita din krets i OrCAD och simulera den. e) Vilken gränsfrekvens får du och hur mycket lutar kurvan vid frekvenser större än gränsfrekvensen? 5
Uppgift 6. Aktivt filter på riktigt I denna uppgift skall du med hjälp av en tabell och standard-kopplingar konstruera ett aktivt lågpassfilter (LP-filter). Att den är aktiv, betyder att den har en/flera OP. Specifikation: Filtret skall vara ett Butterworth LP-filter av 3:e ordningen, förstärkningen F = 10 ggr och gränsfrekvensen fg = 1,6 khz. Det räcker med att ligga i närheten av dessa värden. a) Gör beräkningar och rita sedan ett fullständigt kopplingsschema. Kondensatorer har ofta stora toleranser varför du bör kontrollera värdena på de komponenter du väljer. Välj lämpligtvis kondensatorer i storleksordningen 0.01 µf. Välj motstånd i storleksordningen kiloohm. b) Koppla upp filtret och mät upp filtrets frekvenskurva eller simulera det. c) Studera även hur filtret hanterar kantformade signaler. Ta en lämpligt stor fyrkantspänning och variera frekvensen från låga frekvenser och upp till några khz. Se upp med överstyrning av förstärkarna. Redovisa dina iakttagelser och förklara. Med fullständig kopplingsschema menas ett kopplingsschema som innehåller alla komponentnamn och värden, matningsspänningar, samt bennummer på kretsarna (t.ex. OP). Ritar man kretsschemat med OrCAD får man med detta. 6
OBS! Nedan följer uppgift 7 och 8. Välj ett av dem beroende på betyget du siktar på (1 eller 2 poäng). Uppgift 7. Fyrkantvågoscillator (1 poäng) Ett enkelt sätt att konstruera en astabil vippa, dvs en oscillator som ger en fyrkantspänning ut, är att använda en koppling enligt principschemat nedan. Kretsen består som synes av ett RC-nät och en Schmitt-trigger. Figur. Astabil vippa a) Rita ett fullständigt kopplingsschema för en fyrkantvågoscillator, som har en frekvens på ca 1kHz och där man enkelt kan ändra frekvensen kring detta värde. b) Koppla upp din krets och verifiera att den fungerar som tänkt. c) Rita en figur, som visar U C (t) och U ut (t) vid f =1 khz eller kopiera in diagram från oscilloscopet. d) Förklara kortfattat kretsens funktion. 7
Uppgift 8. Funktionsgenerator/triangelvåg-oscillator (2 poäng) Figuren nedan visar principschemat för en triangelvåg-oscillator. Man kan även ta ut en fyrkantvåg, det sker i så fall efter steg 1. Den första OPn är kopplad som en komparator, den andra som en integrator. Figur. Triangelvågoscillator a) Komplettera figuren ovan, så att du får ett fullständigt kopplingsschema för en triangelvågoscillator med frekvensen f = 1 khz och Uut(peak-to-peak) = 10V. Sätt R1 = 10 kω. Bestäm R2, R3 och C. Lämpligt är att hållas sig inom 10-100 kω och i storleksordningen 10nF. Tips: gör R1 av ett fast motstånd på 1kΩ och en trimpotentiometer på 10kΩ. Nu kan du trimma frekvensen genom att R1 blir variabel. Börja med att göra de teoretiska beräkningarna och rita ett fullständigt kopplingsschema.(ovanstående principskiss saknar pin-nummer på kretsarna, matningsspänningar, komponentvärden etc.) Tänk på att vara noggrann när du ställer upp dina beräkningar och ritar din krets, så att det blir lätt att följa om du skulle behöva felsöka. b) Förklara kortfattat kretsens funktion. c) När förberedelserna är klara och beräkningarna verkar stämma är det dags att koppla upp. Använd samma värden som i beräkningen och verifiera att din krets fungerar som det var tänkt. Rita snygga tidsdiagram eller kopiera in från Oscilloscopet. d) Ange på vilket sätt amplitud respektive frekvens kan ändras och varför. 8