Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék
M7
Műveleti erősítők alkalmazása
D524
A mérés célja:
A mérés során felhasznált eszközök: A mérés során elvégzendő feladatok:
Analóg műveletek végzése erősítőkkel. Forrasztási készség elsajátítása nyomtatott huzalozású lapon. 1. Forrasztópáka 2. Műveleti erősítő (741N) 3. 2db 12V-os tápegység 4. Digitális feszültségmérő 5. Digitális oszcilloszkóp 1. Összegző, Integrátor, Komparátor vizsgálata
1. A mérés tárgya: A mérés tárgya a műszertechnikában leggyakrabban alkalmazott 741-es típusú integrált műveleti erősítő alkalmazásával alapkapcsolások megvalósítása. A gyakorlat során a speciálisan erre a célra készített nyomtatott huzalozású panelon a hallgatónak magának kell elkészítenie a mérendő áramkört, áramköröket. A panelen minden alkatrész –vagy a helye– megtalálható. A kapcsolást a megfelelő forrasztási fülek összekötésével, vagy éppen. az összekötések megszüntetésével lehet kialakítani. Erre a célra rövid huzaldarabokat és pákát kell használni. Figyelem: Forrasztást csak kikapcsolt tápfeszültség mellett lehet végezni. Ellenőrizzük le magát a kapcsolást is, mert a mérés kezdetekor a panel nem biztos, hogy alapállapotban van.
1. ábra A mérőpanel felépítése
M7/1
v.2011.09.30.
2. A mérőrendszer Az áramköri kártyát két kapcsolóüzemű 12V-os tápegységgel üzemeltetjük. A mérőpanelt csak az összeállított kapcsolás többszöri ellenőrzése után, a rászerelt kapcsoló segítségével helyezzük felszültség alá. A feszültség alá helyezett mérőpanelen egy piros LED (+12V) és egy kék LED (-12V) jelzi, hogy mindkét tápoldal működik. A bemenő feszültség értékeket a potenciométerek segítségével lehet beállítani a kívánt értékre +10V és -10V között. A banándugók segítségével lehet a mérőpanelt összekötni a digitális multiméterrel és az oszcilloszkóppal egyaránt.
3. Mérések 3.1 Feszültségkövető vizsgálata A műveleti erősítő kimeneti jelét összekötve az invertáló bemenettel és vezérlésre a neminvertáló bemenetet használva egy nagy bemeneti ellenállású és nagyon kicsi kimeneti ellenállású egységnyi erősítésű kapcsolást kapunk.
2. ábra Feszültségkövető kapcsolás
Ez a kialakítás kitűnő elválasztást eredményez két fokozat között. Gyakran alkalmazzuk olyan esetekben, amikor csak nagy impedanciával lehet egy szűrőáramkör, oszcillátor stb. kapcsolás kimeneti jelét a következő fokozat felé továbbítani, mert például a terhelő-ellenállás erősen módosítaná a szűrő frekvenciamenetét vagy az oszcillátor rezgési frekvenciáját. Mérési feladat: Végezze el a fenti kapcsolást! Mérje meg a bemenő és kimenő feszültséget! 3.2 Fázisfordító (invertáló) alapkapcsolás vizsgálata
3. ábra Fázisfordító erősítő
M7/2
v.2011.09.30.
Ideális műveleti erősítő esetén a végtelen nagy erősítés miatt az invertáló és a neminvertáló bemenetek között feszültségkülönbség nem lesz. Ugyanakkor abból az ideális tulajdonságból, hogy az erősítő bemeneti ellenállása végtelen nagy, az következik, hogy a műveleti erősítő invertáló és nem-invertáló bemenetére áram nem folyik. (R0-on áram nem folyik, rajta feszültségesés sem tapasztalható, u+ feszültsége 0 V lesz.) Mindebből követezően az invertáló bemenet virtuális földpontnak tekinthető. Ekkor az invertáló bemenetre felírt csomóponti törvény értelmében: i1 i2 0 ube1 uki 0 R1 R2 uki Au
R2 ube1 R1
uki R 2 ube1 R1
Mérési feladat: Végezze el a fenti kapcsolást! Jegyezze fel a kapcsolásoknál alkalmazott ellenállás értékeket! Hasonlítsa össze a mért és a számított kimenő feszültség értékeket! 3.3 Fázist nem fordító alapkapcsolás vizsgálata A fázist nem fordító (nem-invertáló) alapkapcsolás a 4. ábrán látható. Ideális műveleti erősítőt feltételezve a végtelen nagy erősítés miatt u+= u- és ube1= uA. Az erősítő bemenete a végtelen nagy bemeneti ellenállás miatt szakadásnak tekinthető, ezért az A pont feszültsége az alábbi feszültségosztó képlettel adható meg: uA
R11 uki R11 R2
4. ábra Fázist nem fordító (nem-invertáló) alapkapcsolás
A fenti egyenletekből a visszacsatolt feszültségerősítés (Au*) már kifejezhető: Au
uki uki R11 R2 R 1 2 ube1 u A R11 R11
M7/3
v.2011.09.30.
Mérési feladat: Végezze el a fenti kapcsolást! Jegyezze fel a kapcsolásoknál alkalmazott ellenállás értékeket! Hasonlítsa össze a mért és a számított kimenő feszültség értékeket! 3.4 Összegző kapcsolás vizsgálata Az invertáló alapkapcsolásból több bemenet kialakításával feszültségösszegző kapcsolást hozhatunk létre. Kihasználva, hogy az invertáló bemenet virtuális földponton van, a bemeneti feszültségek árammá alakíthatók és összegezhetők.
5. ábra Összegző kapcsolás
A virtuális földpontra felírt csomóponti törvény alapján:
ube1 ube 2 uki 0 R1 R11 R2 R R uki 2 ube1 2 ube 2 a1 ube1 a2 ube 2 R11 R1 ahol: a1 és a2 az összegző súlytényezői Mérési feladat: Végezze el a fenti kapcsolást! Jegyezze fel a kapcsolásoknál alkalmazott ellenállás értékeket! Hasonlítsa össze a mért és a számított kimenő feszültség értékeket! 3.5 Kivonó kapcsolás vizsgálata Műveleti erősítő segítségével feszültségek különbsége (differenciája) is előállítható és tovább erősíthető. Ehhez nézzük meg a 6. ábrán vázolt erősítő kapcsolást.
M7/4
v.2011.09.30.
6. ábra Kivonó kapcsolás
A kimeneti feszültség meghatározásához hívjuk segítségül a szuperpozíció elvét. Kössük először az ube2-es bemenetet földre, majd vezéreljük a kapcsolást az ube1-es bemeneten. Ekkor a kapcsolás úgy viselkedik, mint egy invertáló alapkapcsolás. Ezután fordítsuk meg a vezérlést. Legyen ube1=0 és kapcsoljunk vezérlő jelet ube2-re. Áramkörünk ilyenkor neminvertáló alapkapcsolásként működik, melynek bemeneti jele egy feszültségosztó után jut a nem-invertáló bemenetre. A kimeneti feszültség általános vezérlés mellett a két különböző beállítással kapott kimeneti jel összege lesz.
uki
R0 R R R2 R ube1 ube 2 1 0 2 ube1 0 ube 2 R1 R10 R0 R1 R10 R10 uki a2 ube 2 a1 ube1 ahol: a1 és a2 az kivonó súlytényezői
ha R1 R10 és R2 R0 , akkor: R R R R R uki 2 ube1 0 ube 2 2 ube1 2 ube 2 2 ube 2 ube1 R1 R10 R1 R1 R1 A kimeneti feszültség tehát a bemeneti feszültségek különbségével lesz arányos. A különbségképzésben hiba jelentkezik, ha a bemeneti feszültségek különbsége olyan kicsi, hogy az összemérhető az offszetfeszültséggel, a közösmódusú jelelnyomási tényező értéke alacsony, az R2/R1 arányok nem pontosan azonosak a két ágban. Mérési feladat: Végezze el a fenti kapcsolást! Jegyezze fel a kapcsolásoknál alkalmazott ellenállás értékeket! Hasonlítsa össze a mért és a számított kimenő feszültség értékeket! 3.6 Integrátor kapcsolás vizsgálata Vizsgáljuk meg az alábbi kapcsolás bemeneti és kimeneti jele közötti kapcsolatot:
M7/5
v.2011.09.30.
7. ábra Integrátor kapcsolás
Írjuk fel a csomóponti törvényt a műveleti erősítő invertáló bemenetére!
ube1 du C1 ki 0 R1 dt duki 1 ube1 dt RC t 1 uki ube1 (t ) dt uki 0 (t 0) RC 0 A kimeneten a bemeneti jel idő szerinti integráltja jelenik meg. A kezdeti feltétel a kimeneti jel értéke az integrálás kezdetekor. A differenciálegyenletből meghatározott átviteli függvény:
duki 1 1 ube1 Laplace U ki ( s ) s U be1 ( s ) dt RC RC U ( s) 1 1 Y ki U be1 ( s) RCs Ts Az átviteli függvényben szereplő negatív előjel a fázisfordító erősítés miatt jelenik meg. Az integrátor időállandója T RC Építse fel az integrátort a mérőpanelen. Az integrálás megkezdése előtt célszerű a C1 kondenzátort kisütni, hogy a kezdeti feltételként a kimenő feszültség nulla legyen. A bemenő feszültséget a C1 kondenzátor rövidre zárása mellet kell beállítani és méri. A kimenő jel időbeli lefutását digitális, tárolós oszcilloszkópon lehet nyomon követni. Az oszcilloszkópról leolvasható a kimenő jel dt/duki meredeksége, amelynek segítségével meghatározható az időállandó értéke. Mérési feladat: Végezze el a fenti kapcsolást! Jegyezze fel a kapcsolásoknál alkalmazott ellenállás és kapacítás értékeket!
M7/6
v.2011.09.30.
-
Az összeállított integrátor kapcsolás esetén határozza meg az integrálási időállandó értékét számítással és méréssel egyaránt, és hasonlítsa össze!
3.7 Hiszterézis nélküli komparátor vizsgálata Első lépésben vizsgáljuk meg a műveleti erősítő viselkedését visszacsatolás nélkül. Legyen az invertáló bemenet egy uref referenciafeszültségre kapcsolva és vezéreljük a műveleti erősítőt a nem-invertáló bemenetén keresztül. (lásd 8. ábra)
8. ábra Nem invertáló komparátor
9. ábra Az invertáló komparátor
A kimeneti jel a következők szerint fog A kimeneti jel a következők szerint fog változni: változni: ube1 uref uki uki _ min ube 2 uref uki uki _ MAX
ube 2 uref
ube1 uref
uki uki _ min
uki uki _ MAX
A bemeneti és a kimeneti jel közötti A bemeneti és a kimeneti jel közötti kapcsolatot abban az esetben, ha uref > 0: kapcsolatot abban az esetben, ha uref > 0:
10. ábra A feszültségkomparátor transzfer karakterisztikája
11. ábra Az invertáló komparátor transzfer karakterisztikája
A műveleti erősítő kimeneti feszültségének minimális értéke ( uki _ min ) általában a negatív tápfeszültség felett van 1,5-3 V-tal. A kimeneti feszültség maximális értéke ( uki _ MAX ) pedig a pozitív tápfeszültség alatt található kb. ugyanennyivel. Ezek az értékek természetesen függnek a terheléstől és a műveleti erősítő kimeneti fokozatának kialakításától. Mérési feladat: Végezze el a fenti kapcsolásokat! Különböző előjelű referenciafeszültségekre végezze el a méréseket és rajzolja le a hozzá kapcsolódó transzfer karakterisztikákat!
M7/7
v.2011.09.30.
3.7 Schmitt-trigger (hiszterézises komparátor) vizsgálata Ezeknél az áramköröknél a pozitív visszacsatolás kihasználásával az átbillenési küszöb és a visszabillenési küszöb nem azonos. Műveleti erősítővel nagyon egyszerűen megvalósíthatók az ilyen tulajdonságokkal rendelkező kapcsolások. Ehhez nem kell mást tenni, mint az (invertáló és nem-invertáló erősítő) alapkapcsolásoknál a bemeneteket felcserélni és ezzel a negatív vissza-csatolást pozitív visszacsatolássá változtatni. Fázisfordító Schmitt-trigger A nem-invertáló alapkapcsolás bemeneteit felcserélve az alábbi áramkörhöz jutunk:
12. ábra Fázisfordító Schmitt-trigger
A kimeneti és a bemeneti jel közötti kapcsolatot a 13. ábrán láthatjuk:
13. ábra A fázisfordító Schmitt-trigger bemeneti és kimeneti jele közötti kapcsolat
Az uM és um billenési küszöbök az alábbi képletekkel határozhatók meg: uM
R0 uki _ MAX R0 R3
um
R0 uki _ min R0 R3
A bekapcsolási tranziens lezajlása után tételezzük fel, hogy a műveleti erősítő kimenete a pozitív tápfeszültség közelében lévő lehetséges maximumra, uki _ MAX -ra áll be. Ekkor a nemM7/8
v.2011.09.30.
invertáló bemenet uM feszültségen lesz a feszültségosztás miatt. Ez lesz tehát az átbillenés küszöbfeszültsége. A kimenet mindaddig ezen az értéken marad, ameddig a bemeneti jel ezt meg nem haladja. Ha ez bekövetkezik, akkor a kimenet a kapcsolástól elvárható legnagyobb sebességgel a negatív tápfeszültség közelében lévő uki _ min értéket veszi fel. Ezzel megváltozik a nem-invertáló bemenet feszültsége is um -re. Ez egyben új küszöbfeszültséget is jelent, mert mindaddig nem történik változás a kimeneten, ameddig a bemenet ez alá nem esik. Abban a pillanatban, amikor a bemeneti feszültség kisebb lesz mint um , a kimeneti feszültség ismét uki _ MAX -ra vált. Ezzel a folyamat kezdődhet elölről.
14. ábra A fázisfordító Schmitt-trigger idődiagramja
Az uM és az um feszültségszintek (küszöbök) közötti különbséget hiszterézisnek hívjuk u H . Értéke ebben a kapcsolásban R0 uH uki _ MAX uki _ min R0 R3 Fázist nem fordító Schmitt-trigger Az invertáló erősítő bemeneteinek felcserélésével egy másik hiszterézises komparátorhoz jutunk. Kapcsolási rajza a 15. ábrán látható:
15. ábra A fázist nem fordító Schmitt-trigger
M7/9
v.2011.09.30.
A fázist nem fordító Schmitt-trigger küszöbszintjei: uM
R10 uki _ MAX R3
um
R10 uki _ min R3
A kapcsolás működését a 16. ábra szemlélteti. A kimeneti feszültség mindaddig uki _ MAX marad, ameddig a bemeneti jel um szintje alá nem csökken. Ekkor a kimenet uki _ min -ra vált át és mindaddig ott is marad, ameddig a bemeneti jel uM -t meg nem haladja. A hiszterézisfeszültség értéke ennél a kapcsolásnál: uH
R10 uki _ MAX uki _ min R3
16. ábra A fázist nem fordító Schmitt-trigger bemeneti és kimeneti jele közötti kapcsolat
M7/10
v.2011.09.30.
17. ábra A fázist nem fordító Schmitt-trigger idődiagramja
Mindkét Schmitt-trigger kapcsolásnál uki _ MAX és uki _ min értéke tápfeszültségfüggő és nagy valószínűséggel változik a különböző típusú műveleti erősítők cseréjével. Ennek a problémának az áthidalására, illetve a kimeneti feszültségszintek pontosabb beállítására a kimenetre diódá(ka)t vagy Zéner-diódá(ka)t kapcsolunk. Ezekkel rögzíteni lehet a kimeneti feszültség értékét. De nem csak azt. Hiszen ezzel a megoldással a kimenet által meghatározott uM és um feszültségek szintje is stabillá válik. A fenti komparátorok felhasználási területét és lehetőségeit tovább bővíthetjük azzal, ha a hiszterézisablak közepét az origóból tetszőleges bemeneti feszültségek irányában elmozdítjuk. Ez mindössze azzal a kapcsolástechnikai módosítással jár, hogy a műveleti erősítő nem vezérelt bemenetét a földpotenciál helyett egy referenciafeszültségre kapcsoljuk. Ha a referenciafeszültség nem lesz már egyenlő nullával, akkor viszont számolnunk kell azzal a nehézséggel, hogy a hiszterézisablak nem lesz a továbbiakban szimmetrikus a referenciafeszültségre nézve.
M7/11
v.2011.09.30.
