Analóg elektronika - laboratóriumi gyakorlatok
5. Különleges analóg kapcsolások 5.1 Elmélet Közönséges és precíz egyenirányítók-, mûszer-erõsítõk-, audio erõsítõk, analóg szorzók-, modulátorok és demodulátorok-, analóg komparátorok leírása a 2.4 prezentációban látható. Számítási feladatokkal a táblagyakorlatokon találkoztak a hallgatók.
5.2 Leírás Ez a laboratóriumi gyakorlat során a hallgatók különleges analóg áramkörök viselkedésével ismerkednek meg.
5.3 Szimuláció A mérések elõtt számítógépes szimulációval vizsgáljuk meg az áramkörök viselkedését. 5.3.1 Közönséges egyenirányító Állítsa össze az LTspice szoftverben az alábbi szimulációs áramkört (közönséges egyenirányító)! Végezze el a szimulációt, rajzoltassa ki a bemenõ feszültség abszolút értékét és a kimenõ feszültségjelet valamint a forrás és a kondenzátor áramát! Határozza meg a kimenõ feszültség hullámosságát csúcstól-csúcsig mérve! Határozza meg a kimenõ feszültség középértékét és effektív értékét a Ctrl+Left Click billentyûkombinációt használva! Határozza meg a bemenõ áram és a kondenzátor-áram középértékét és effektív értékét a Ctrl+Left Click billentyûkombinációt használva!
Módosítsa a bemenõ jelet úgy, hogy a szimuláció kezdetén a bemenõ szinusz-jel ne nullaátmenettel induljon, hanem csúcsértékkel! Végeztesse el újra a szimulációt! Hogyan módosul a bemenõ áram és a kondenzátor-áram? 5.3.2 Precíz egyenirányító Állítsa össze az LTspice szoftverben az alábbi szimulációs áramkört (precíz egyenirányító)! A mûveleti erõsítõkre alkalmazza az UniversalOpamp2 modellt! Végezze el a szimulációt, rajzoltassa ki a bemenõ feszültséget és a kimenõ feszültséget! Vizsgálja meg a jeleket az áramkör más pontjaiban is! Lát-e torzulást a kimenõ diagram egyes szakaszain? Nagyítással ellenõrizze a kérdéses részeket!
5.3.3 Mûszer-erõsítõ Állítsa össze az LTspice szoftverben az alábbi szimulációs áramkört (mûszer-erõsítõ)! A mûveleti erõsítõkre alkalmazza az UniversalOpamp2 modellt! Végezze el a szimulációt, rajzoltassa ki a két bemenõ feszültséget és a kimenõ feszültséget! Vizsgálja meg a jeleket az áramkör más pontjaiban is! Vezesse le az erõsítés képletét (A=VO/(VI1-VI2)) ideális mûveleti erõsítõket feltételezve! Mennyire egyezik a kimenõ jel amplitúdója az ideális mûveleti erõsítõkre számított értékkel? Fordítsa meg a V2 generátor polaritását és végezze el újra a szimulációt! Mekkora a kimenõ jel amplitúdója ez esetben? Mekkora lesz a kimenõ jel amplitúdója, ha az R5 ellenállás ellenállásértékét 1%-kal megnöveljük?
5.3.4 Audio teljesítmény-erõsítõ Állítsa össze az LTspice szoftverben az alábbi szimulációs áramkört! Végezze el a tranziens analízist, rajzoltassa ki a bemenõ és a kimenõ feszültséget! Vizsgálja meg a jeleket az áramkör más pontjaiban is! Mekkora az erõsítés értéke a visszacsatoló elemekbõl (R6, R7) számítva? Mennyire egyezik a kimenõ jel amplitúdója a számított erõsítés-értékkel?
Jelenítse meg a Fourier sorra vonatkozó táblázatot (View=>Spice Error Log)! Melyik felharmonikus amplitúdója a legnagyobb? Harmonic Frequency Fourier Number [Hz] Component 1 1.000e+03 7.224e+00 2 2.000e+03 1.353e-02 3 3.000e+03 1.181e-02 4 4.000e+03 7.132e-03 5 5.000e+03 5.094e-03 6 6.000e+03 1.570e-03 7 7.000e+03 4.586e-04 8 8.000e+03 6.783e-04 9 9.000e+03 9.597e-04 Total Harmonic Distortion: 0.278052%
Normalized Component 1.000e+00 1.873e-03 1.635e-03 9.872e-04 7.051e-04 2.173e-04 6.348e-05 9.388e-05 1.328e-04
Phase [degree] -0.91° -67.16° 31.26° 141.80° -124.88° -37.05° -68.33° 22.49° 74.92°
Normalized Phase [deg] 0.00° -66.25° 32.16° 142.70° -123.97° -36.15° -67.42° 23.39° 75.83°
Végezze el az erõsítõ AC analízisét! Rajzoltassa ki az amplitúdó- és fázisdiagramot! Határozza meg a határfrekvenciát!
5.3.5 Analóg komparátor Állítsa össze az LTspice szoftverben az alábbi szimulációs áramkört! Végezze el a szimulációt, rajzoltassa ki a bemenõ feszültségeket (VIN, VREF) és a kimenõ feszültséget! Vizsgálja meg a jeleket az áramkör más pontjaiban is!
Adjon a meglevõ bemeneti jelhez egy magasabb frekvenciájú jelet (zavar) az alábbi szimulációs áramkör szerint! Mi történik a kimeneten?
Hiszterézis (pozitív visszacsatolás) visszacsato bevezetésével akadályozza meg a kimenõ jel többszöri ugrását!
5.3.6 Négyszögjel és háromszögjel generátor Állítsa össze az LTspice szoftverben az alábbi szimulációs áramkört! Végezze el a szimulációt, rajzoltassa ki a mûveleti erõsítõk kimenõ jeleit (VTRI, VSQW)! Határozza meg a jelek amplitúdóját és frekvenciáját! Mi a szerepe a V3 forrásnak? Mi történik, ha kihagyjuk ezt a forrást? Szükséges-e ez a forrás a valós áramkörben?
Hogyan lehet módosítani a háromszögjel amplitúdóját? Változtassa meg a megfelelõ alkatrészt és végezze el újra a szimulációt! Hogyan lehet módosítani a frekvenciát? Változtassa meg a megfelelõ alkatrészt és végezze el újra a szimulációt!
5.3.7 Feszültségvezérelt oszcillátor (VCO) Állítsa össze az LTspice szoftverben az alábbi szimulációs áramkört (a szaggatott vonallal körülhatárolt rész az LM331-es integrált VCO szimulációs modellje)! Végeztesse el a szimulációt, rajzoltassa ki a kimenõ jelet (VOUT)! Határozza meg a kimenõ jel amplitúdóját és frekvenciáját!
Csökkentse a bemenõ feszültséget (VIN) 1V-ra! Újra végeztesse el a szimulációt és határozza meg a frekvenciát! Mennyire változott meg a frekvencia/feszültség arány az elõzõ esethez képest? 5.3.8 Analóg szorzó Állítsa össze az LTspice szoftverben az alábbi szimulációs áramkört! Végezze el a szimulációt, rajzoltassa ki az integrált analóg szorzó bemenõ és kimenõ jelét (VIN, VOUT)! Határozza meg a jelek amplitúdóját és frekvenciáját! Milyen függvénnyel írható le a kimenõ jel? Csökkentse-növelje a bemenõ jel amplitúdóját a 0-tól 10V-ig terjedõ tartományban! Állapítsa meg, hogy a kimenõ jel amplitúdója mennyire egyezik a számított értékkel (alkalmazza az AD633-as típusú IC adatlapját)! Vezessen a bementre 10V amplitúdójú háromszög jelet! Milyen függvénnyel írható le a kimenõ jel ez esetben?
5.4 Felszerelés a mérésekhez 1. Próbapanel 2. Kétcsatornás digitális oszcilloszkóp 3. Jelgenerátor 4. Tápegység 5. Diódák, mûveleti erõstõk, integrált mûszer-erõsítõk, integrált feszültség-vezérelt oszcillátorok, integrált analóg szorzók, integrált analóg komparátorok, különbözõ ellenállások és kondenzátorok.
5.5 Mérések Ebben a lépésben a hallgatók mérésekkel ellenõrzik az elméleti órákon hallottakat és a szimulációval kapott eredményeket. 5.5.1 Közönséges egyenirányító Állítsa össze az ábrán megadott áramkört! Kapcsolja a transzformátor primerjét a 230V/50Hz-es hálózatra! Figyelje meg oszcilloszkóppal a kondenzátor feszültségét! Rajzolja át a kondenzátor feszültségének idõdiagramját! Határozza meg a kondenzátor feszültségének középértékét, csúcsértékét és a hullámzást (csúcstól-csúcsig számítva)! vc1(t)[V]
D1 1N4001
D3 1N4001 C1
2 4 230V/12V/30W
D2 1N4001
D4 1N4001
15 +
R1
vc1
10
27R/10W
1 TRF1 3
1m0/25V
230V/50Hz
20
5 t[ms] 0
5
10
15
20
25
30
35
40
5.5.2 Precíz egyenirányító Állítsa össze az ábrán megadott áramkört! Vezessen a bemenetre 5V amplitúdójú, 1kHz frekvenciájú szinusz-feszültséget! Figyelje meg oszcilloszkóppal a bemenõ és a kimenõ jelet! Rajzolja át a jeleket a mellékelt koordináta rendszerbe! Figyelje meg a feszültség-jelet az elsõ mûveleti erõsítõ kimenetén! Mi történik, ha a bemenõ jel amplitúdóját 10V fölé emeli? Mekkora maximális frekvenciáig tekinthetõ a kapcsolás viselkedése elfogadhatónak?
R3 10k
4
R1
1 3
5 6
t[ms]
7
0
5
U1A LM358
8
VI
10k
D1 1N4148
2
10k
D2 1N4148
U1B LM358
VO
+12V
R5
VI(t), VO(t) [V]
10
-12V
R2 10k
R4
0
0,5 1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
4,0
4,5
-5 -10
10k
5.5.3 Mûszer-erõsítõ Az INA122A típusú integrált mûszer-erõsítõvel állítsa össze a megadott kapcsolást! Kösse rá az erõsítõre a mérõ híd vezetékeit! Adott terheket akasztva a mérlegcellára állítson elõ különbözõ bemenõ és kimenõ feszültség-értékeket! Mérje meg ezeket az értékeket multiméterrel és írja be a táblázatba! Számítsa ki az erõsítést minden egyes pontban! Mekkora erõsítés várható az adatlap alapján? Mekkora maximális eltérést tapasztal az egyes erõsítés-értékek között? R1 1 8
MÉRLEGCELLA
J1 1 2 3 4
SS+
+12V
2 3 4
Header 4
-
+12V 7
U2
3k9
+
J J
+V
ININ+
OUT
-V
REF
C1 GND
u10 6
OUT
5
INA122A
m [g]
100 200
500
1000 1500
2000 2500
3000 3500 4000
VS [mV] VOUT [mV] A
5.5.4 Audio teljesítmény-erõsítõ Állítsa össze az ábrán megadott teljesítmény-erõsítõt! Kössön a bemenetre 0,5V amplitúdójú, 1kHz frekvenciájú szinusz-jelet! Figyelje meg oszcilloszkóppal a bemenõ és a kimenõ jelet! Figyelje meg a jelet a mûveleti erõsítõ kimenetén! Rajzolja át a jeleket a mellékelt koordináta rendszerbe! Mely elemek határozzák meg a feszültség-erõsítést? Mely bemenõ amplitúdó mellett jön telítésbe az erõsítõ? Mekkora az erõsítõ felsõ határfrekvenciája? R2
VI(t), VO(t) , VOA(t)[V]
10 10k
7
BD135 Q1
1k0
U1 TL081
2
V+ V-
3
4
VI -12V
5 t[ms]
6
VOA Q2 BD136
R3
VO
22R/5W
R1
+12V
0
0
0,5 1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
4,0
4,5
-5 -10
5.5.5 Analóg komparátor Állítsa össze az ábrán látható (egyszerû) komparátor kapcsolást! Vezessen a bemenetre 5V amplitúdójú, 1kHz frekvenciájú szinusz jelet! Figyelje meg a bemenõ és a kimenõ jelet
oszcilloszkóppal! Forgassa el az RP1 potenciométert úgy, hogy a kimeneti jel kitöltési tényezõje kb. 50% legyen! Rajzolja át a bemenõ és a kimenõ jelet a mellékelt koordináta rendszerbe! Mi történik, ha a bemenõ jel amplitúdóját a korábbi érték töredékére csökkenti? Mi történik, ha a bemenõ jel frekvenciáját a korábbi érték sokszorosára emeli?
VI
+Vcc -Vcc
2
4
C1 u10
8
C2 u10 3
R1 RP1 10k 47k +12V
VI(t), VO(t) [V]
10
+12V
1
5
R3 10k
t[ms] 0
U1A LM393 C3 u10
0,5 1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
4,0
4,5
-5
VO
R2 10k -12V-12V
0
-10
Állítsa össze a lenti ábrán látható hiszterézises komparátor kapcsolást! Vezessen a bemenetre 5V amplitúdójú, 1kHz frekvenciájú szinusz jelet! Figyelje meg a bemenõ és a kimenõ jelet oszcilloszkóppal! Forgassa el az RP1 potenciométert úgy, hogy a kimeneti jel kitöltési tényezõje kb. 50% legyen! Állapítsa meg, hogy mely küszöbértékeknél vált a komparátor kimenete! Rajzolja át a bemenõ és a kimenõ jelet a mellékelt koordináta rendszerbe? Figyelje meg a feszültség-jelet az integrált komparátor nem-invertáló bemenetén! Ezt is rajzolja át!
C1 u10
R5 33k
8
R4
3 10k
VI
2
4
C1 u10
+Vcc -Vcc
R1 RP1 10k 47k +12V
VI(t), VO(t) [V]
10
+12V
1
5
R3 10k
t[ms] 0
U1A LM393 C1 u10
0,5 1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
4,0
4,5
-5
VO
R2 10k -12V-12V
0
-10
5.5.6 Négyszögjel és háromszögjel generátor Állítsa össze az ábra szerinti négyszögjel/háromszögjel generátort! Figyelje meg oszcilloszkóppal a Vtri és a Vsqw feszültség-jeleket! Rajzolja át ezeket a jelek idõdiagramját a mellékelt koordináta rendszerbe! Határozza meg a jelek amplitúdóját és frekvenciáját! Milyen módosítással tudja a frekvenciát megfelezni, ill. megkétszerezni? Miért nem szükséges indító feszültség-impulzus ebben az áramkörben (a szimulációnál nem indult be az oszcilláció az nélkül)? 10
R3 +12V
8
Vtri
3 1
4
2 -12V
U1A TL082
15k R2 10k C1 u10
Vtri(t), Vsqw(t) [V]
5
5 7 6
U2B TL082
t[ms] 0
R1
Vsqw -5
10k
-10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
5.5.7 Feszültségvezérelt oszcillátor (VCO) Állítsa össze próbapanelen az ábra szerinti feszültségvezérelt oszcillátort az LM331-es típusú integrált feszültségvezérelt oszcillátorral! Vezessen a bemenetre VI=5V egyenfeszültséget! Figyelje meg oszcilloszkóppal a VO feszültség-jelet! Rajzolja át a jel idõdiagramját a mellékelt koordináta rendszerbe! Variálja a bemenõ jelet 0 és 5V között! Mit tapasztal a kimeneten? C1 C3 10n R1
U1 1
M10
R1
R2
10k
RL/CL
2
RS
3
+12V 10k
OUT
4
GND
VO
10
u10
8
VS
VO(t) [V]
12 +12V
8
7
IN
6 6
THR
R3 1k0
5
RT/CT
4
VI
2
C2
LM331
t[ms] 0
10n
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
5.5.8 Analóg szorzó Állítsa össze az ábra szerinti analóg négyzetre emelõ áramkört az AD633-as típusú integrált analóg szorzó áramkörrel! Kössön a bemenetre 10V amplitúdójú, 1kHz frekvenciájú szinusz jelet! Figyelje meg oszcilloszkóppal a bemenõ és a kimenõ jelet (VI és VO)! Rajzolja át ezeket a jeleket a mellékelt koordináta rendszerbe! Variálja a bemenõ jel amplitúdóját 0 és 10V között! Mit tapasztal a kimeneten? Vezessen a bemenetre szinusz jel helyett háromszög jelet! Milyen matematikai függvény szerint változik ekkor a kimenõ jel? C1
10
+12V U1 1 D1 1N4148
R1 10k
D2 1N4148
VI
2 3 4
-12V
X1
+VS
X2
W
Y1
Z
Y2
-VS
AD633
8
u10 +12V
VI(t), VO(t) [V]
5
7
0
6
t[ms] 0 0,25
0,5 0,75
1,0 1,25
1,5 1,75
2,0
VO 5
-12V C2 u10
-5 -10
Hallgató(k): Név:
Index szám:
Aláírás:
------------------------------------------------
----------------------------
-----------------------------------------
------------------------------------------------
----------------------------
-----------------------------------------
