MISKOLCI EYETEM ILLMOSMÉRNÖKI INTÉZET ELEKTROTECHNIKI- ELEKTRONIKI TNSZÉK DR. KOÁCS ERNŐ MŰELETI ERŐSÍTŐK MÉRÉSE FŐISKOLI SZINTŰ, LEELEZŐ TOZTOS ILLMOSMÉRNÖK HLLTÓKNK MÉRÉSI UTSÍTÁS 2003.
MŰELETI ERŐSÍTŐS KPCSOLÁSOK MÉRÉSE mérések célja: megismerni a leggyakoribb alap- ill. származtatott műveleti erősítős kapcsolások jellemző tulajdonságait. mérések elméleti hátterét az előadások anyaga és a kiadott előadás jegyzet (Elektronika III.) tartalmazza. mérési ismertető csak az elvégzendő mérési feladatok leírására korlátozódik. mérési feladatokat az előre elkészített mérő-paneleken kell elvégezni, amelynek vázlatos képe a mérési leírásban megtalálható. mérendő kapcsolásokat önállóan kell összeállítani a mérőpanel tápfeszültségének kikapcsolása után (szerviz-panelen található két kapcsoló kikapcsolásával). Bekapcsolni mérést csak az összeállított mérési kapcsolás leellenőrzése után szabad. tápellátáshoz szükséges ±15-os és alkalmanként ±5-os tápfeszültséget a laborasztalba beépített tápegységekből nyerjük. műveleti erősítők ofszet kiegyenlítésére minden olyan mérés előtt szükség lehet, amelynek során a műveleti erősítő lineáris üzemben dolgozik. z ofszet kiegyenlítéshez kössük a kapcsolás bemeneteit a tápfeszültség földpontjára és előbb a durva, majd a finombeállító potenciométerekkel a kimeneti feszültséget állítsuk nullára. z ofszet kiegyenlítés után a bemeneti kapcsokat a megfelelő műszerekhez kell csatlakoztatni. szerviz panelen (mérődoboz jobb szélső sáv) található egy kis áram-terhelhetőségű (max.15 m-es) -5...+5 tartományban állítható belső stabilizált tápegység, amely a mérések során egyenfeszültség-forrásként felhasználható. mérések gyorsabb elvégzése érdekében a szerviz panel tartalmaz két db banándugó-bnc csatlakozó átalakítót is (az oszcilloszkóphoz és a jelgenerátorhoz történő egyszerűbb csatlakoztatás érdekében), ahol a BNC csatlakozó háza földpotenciálra van belül bekötve. További felhasználásra egy mindhárom pontján kivezetett potenciométer(10 kω ) is rendelkezésre áll a szervizpanelen. mérések során rendelkezésre álló műszerek: 1 db kétsugaras oszcilloszkóp 1 db funkciógenerátor (jelalak generátor) 1 db asztali digitális multiméter 1 db kézi digitális multiméter mérésekről jegyzőkönyvet kell készíteni, amelynek tartalmaznia kell: a) mérés helyét és idejét, b) mérést végzők nevét, tankörszámát c) mérésben felhasznált mérőeszközök azonosítóit (típus, gyáriszám) d) mérési pontok rövid leírását és a kapott eredményeket e) kapott eredmények kiértékelését, összevetését az elméleti eredményekkel Dr. Kovács Ernő: Műveleti erősítők mérése levelező tagozatos, főiskolai szintű villamosmérnök hallgatóknak (2003.) 2.
1. lapmérések z alapmérések célja összefoglalni azokat az ismereteket, amelyek minden elektronikus kapcsolás mérésekor közösek. mérések leírása konkrét kapcsolásoktól elvonatkoztatott és követi azt a rajzolási konvenciót, hogy a mérési kapcsolások bemenete a baloldalon, kimenete a jobboldalon van. 1.1 Kivezérelhetőség mérése u be O M 1 M 2 M x O függvénygenerátor mérendő áramkör voltmérők oszcilloszkóp mérés leírása z áramkör frekvencia-független átvitelének tartományában a közepes frekvencián végezzük a mérést (a mérési leírásokban megadott frekvencián). 1. ddig növeljük a bemeneti jelet, amíg a kimenetre csatlakoztatott oszcilloszkópon a jel érzékelhetően torzulni nem kezd (akár nemlinearítás, akár vágás miatt). 2. Megmérjük a bemeneti (U bemax ) és a kimeneti (U kimax ) jelet. mérések során az <U kimax tartományban mérhetünk csak. Megjegyzés: a kivezérelhetőség mértéke kapcsolásonként eltérő lehet! Különösen ügyelni kell a kivezérelhetőségre, ha az áramkör erősítése a frekvenciával változik, mert így változatlan bemeneti feszültség esetén is túlvezérlődhet az áramkör! 1.2. Bemeneti ellenállás meghatározása méréssel I 2 U 1 R m U 2 M 1 M 2 M x R m függvénygenerátor a mérendő áramkör voltmérők ismert nagyságú ellenállás (a mérés során adott) Dr. Kovács Ernő: Műveleti erősítők mérése levelező tagozatos, főiskolai szintű villamosmérnök hallgatóknak (2003.) 3.
mérés leírása 1. Bemenetre feszültséget kapcsolunk és mérjük az U 1 és az U 2 feszültségeket. Ügyeljünk arra, hogy a kimeneti jel a maximális kivezérelhetőség értekének 1/3..2/3 tartományában legyen! 2. bemeneti ellenállás meghatározása számítással (tisztán hatásos bemeneti ellenállású áramkör esetén) u2 u2 Rbe = = R m i u u 1.3 Kimeneti ellenállás meghatározása méréssel 2 1 2 U kio U kit a) M b) M R t M R t függvénygenerátor a mérendő áramkör voltmérő ismert nagyságú terhelő-ellenállás (a mérésleírásban adott) Mérés leírása 1. bemeneti feszültség változtatása nélkül mérjük meg terhelés nélkül (a kapcsolás) és terhelés esetén is (b kapcsolás) a kimeneti feszültségeket. Ügyeljünk arra, hogy a kimeneti jel a maximális kivezérelhetőség értekének 1/3..2/3 tartományában legyen terheletlen esetben is! 2. kimeneti ellenállás számítása (hatásos kimeneti ellenállás esetén) u ki0 R = 1 ki Rt ukit 1.4. Erősítés mérése u be O M 1 M 2 B Dr. Kovács Ernő: Műveleti erősítők mérése levelező tagozatos, főiskolai szintű villamosmérnök hallgatóknak (2003.) 4.
M x O függvénygenerátor a mérendő áramkör voltmérők oszcilloszkóp Mérés leírása z áramkör frekvencia-független átvitelének tartományában a közepes frekvencián végezzük a mérést (ált. a mérésleírásban a konkrét frekvencia adott). 1. Mérjük meg egyidejűleg a kimeneti és a bemeneti jeleket. kimeneti jelnek a maximális kivezérelhetőség értékének 1/3..2/3 rész tartományában kell lennie. 2. z erősítés számolása u ki a) = u 20 * lg [db] (logaritmikus egységben) ube u ki b) = ± u (abszolútértékben) z előjelet a ki- és a bemenet közötti fázishelyzet ube alapján tudjuk meghatározni (pl. oszcilloszkóppal)! 1.5. mplitúdó-átviteli karakterisztika mérése u be O M 1 M 2 B M x O függvénygenerátor a mérendő áramkör voltmérők oszcilloszkóp Mérés leírása bemenetre kapcsolt jelgenerátor frekvenciáját változtatva több frekvencián (ált. 1,2,5*10 n Hz, n=1..4 ) egyidejűleg megmérjük a kimeneti és a bemeneti feszültségeket. mérés során a bemeneti feszültség nagyságát nem változtatjuk. bemenetre csak akkora feszültséget szabad kapcsolni, hogy a mérés során a teljes frekvencia-tartományban az áramkör ne vezérlődjön túl. Dr. Kovács Ernő: Műveleti erősítők mérése levelező tagozatos, főiskolai szintű villamosmérnök hallgatóknak (2003.) 5.
z amplitúdó -karakterisztika számolása és ábrázolása Példa a táblázatos leírásra ( f ) u ki = 20 * lg [db] u be f [khz] 0.01 0.02 0.05 0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 20 50 100 [] u be [] u (f) [db] Megjegyzés: célszerűen a fenti frekvenciákon végezzük a mérést, mert így az ábrázolás egyszerűsödik. z adott frekvenciák a logaritmikus skálán közel lineárisan helyezkednek el (a közöttük levő távolság dekádban közel azonos). Példa az ábrázolásra: Lehetséges közvetlenül db-ben meghatározni az amplitúdó-karakterisztikát (mennyiben a rendelkezésre álló műszerek alkalmasak db skála szerinti mérésre) kimeneti feszültséget mérő műszer által mutatott érték (ha a db 600 Ω-os impedanciára vonatkozik): M ki =20 lg( /0.7746) [dbm] bemeneti feszültséget mérő műszer által mutatott érték (bár a bemeneti feszültséget a mérés során változatlanul tartjuk, a függvénygenerátor hibájából következően a bemeneti feszültség kis mértékben változhat): M be=20 lg(u be /0.7746) [dbm] z erősítés abszolút-értékben db-ben (f)=m ki -M be [db] Dr. Kovács Ernő: Műveleti erősítők mérése levelező tagozatos, főiskolai szintű villamosmérnök hallgatóknak (2003.) 6.
Megjegyzés: lehetőség van az amplitúdó-karakterisztikát (csak jellegét) illetve a határfrekvenciákat meghatározni relatív frekvencia-karakterisztika méréssel is. Ebben az esetben a közepes frekvencián a kimeneten mért feszültséget 0 db-nek véve (függetlenül annak számszerű értékétől és a továbbiakban a bemeneti feszültséget változatlanul hagyva) változtatva a frekvenciát az ehhez képesti kimeneti jel változást a műszeren db-ben közvetlenül leolvashatjuk. Meghatározások: közepes frekvencia(f 0 ) az átviteli karakterisztika közel lineáris tartományának a közepe. z alsó és a felső határfrekvencia (f a és f b ) a közepes frekvencián mért erősítéstől ±3dB-lel eltérő erősítéshez tartozó frekvenciák. sávszélesség (B) az alsó és a felső határfrekvencia különbsége. 2. Mérőhelyek mérőhelyek tápellátásának be- és kikapcsolása Bekapcsolási sorrend: 1. Helyezzük feszültség alá a mérőhelyet a kulcsos főkapcsolóval. Sikertelen bekapcsolási kísérlet esetén ellenőrizze, hogy az asztalban levő kismegszakító vagy az áramvédő-relé nincs-e leoldva. Egyéb esetekben a mérésvezetőt kell értesíteni. 2. z asztali mérőműszerek a mérőhelyek betáp-sávjaihoz vannak csatlakoztatva. Kapcsolja be a betáp-sávot a billenő kapcsolójával. Kapcsolja be a mérőműszereket. 3. z asztalok két beépített többcsatornás tápegységgel rendelkeznek. z egyik többcsatornás egység egy fix 5/3 és két 0..30/1 változtatható beépített tápegységet tartalmaz. másik egység /amelyben beépített panel-mérők vannak két fix 15/1 tápegységet tartalmaz. zt a tápegységet kapcsoljuk be az előlapon található kapcsolókkal, amelyik a mérés során a mérődobozt táplálja. fix ±15 feszültségű tápegység előlapján található Hálózati kapcsoló feliratú nyomógomb a tápegység belső egységeire kapcsol csak feszültséget, de tápfeszültség a kimenetre nem kerül. kimenetre a tápfeszültség csak a DC kapcsoló bekapcsolása után kerül. 4. mérődoboz előlapján található ±15 és egyes mérések során az ±5 feliratú kapcsoló(k) bekapcsolásával adjunk feszültséget a mérőpanelre. mérőpanel tápellátása elsősorban a mérődobozon keresztül az asztalba beépített fix ±15 -os tápegységről történik. Mérések egyes fajtáinál +5-ra is szükség van, amelyet a másik beépített többcsatornás tápegység szolgáltat. beépített tápegység(ek) kimeneteit csatlakoztassuk a mérődoboz hátulján levő feliratozott csatlakozókhoz banándugós mérővezetékkel. Kikapcsolási sorrend: mérés kikapcsolása az előzőek szerint a bekapcsolással fordított sorrendben történik. Dr. Kovács Ernő: Műveleti erősítők mérése levelező tagozatos, főiskolai szintű villamosmérnök hallgatóknak (2003.) 7.
Mérődoboz elrendezése az alkatrész-értékekkel Dr. Kovács Ernő: Műveleti erősítők mérése levelező tagozatos, főiskolai szintű villamosmérnök hallgatóknak (2003.) 8.
3. MÉRÉSI FELDTOK 3.1. Invertáló erősítő kapcsolás R 3 U 2 U be ½µ747 Mérési feladatok 1. Állítsa össze a kapcsolást az alábbi elemértékkel (R 3 ellenállást a mérés jelenlegi szakaszában nem kell beiktatni)! =270 kω, = 27 kω 2. égezze el az ofszet-kiegyenlítést! 3. Mérje meg az erősítő erősítését! Csatlakoztassa a ±5 tartományban változtatható egyenfeszültség-forrást (szerviz panelen) az erősítő bemenetére. djon kb. 1 feszültséget a bemenetre és mérje a kimeneti feszültséget! 4. Mérje meg a kivezérelhetőség mértékét! 3. mérési pont szerinti összeállításban addig változtassa a bemeneti feszültséget, amíg a kimenet már nem követi lineárisan a bemenet változását. égezze el a mérést ellenkező polaritású bemeneti feszültség esetén is! 5. djon az erősítő bemenetére 0.5 eff értékű 1 khz frekvenciájú szinuszos jelet a funkciógenerátorból. z oszcilloszkóppal határozza meg a fáziskülönbség mértékét! 6. Mérje meg az erősítő kapcsolás bemeneti ellenállását! Csatlakoztasson a bemenet és az egyen-feszültségű jelforrás közé egy 27 kω-os (R 3 ) ellenállást. djon az U 2 bemenetre kb. 2 egyenfeszültséget és egyidejűleg mérje meg az U be feszültséget is. Ube Rbe = R3 U U 3.2. Neminvertáló erősítő kapcsolás 2 be ½µ747 Mérési feladatok u be 1. Állítsa össze a kapcsolást az alábbi elemértékkel! =270 kω, = 27 kω 2. égezze el az ofszet-kiegyenlítést! 3. Mérje meg az erősítő erősítését! Csatlakoztassa a ±5 tartományban változtatható egyenfeszültség-forrást (szerviz panelen) az erősítő bemenetére. djon kb. 0.5 egyenfeszültséget a bemenetre és mérje meg a kimeneti feszültséget! Dr. Kovács Ernő: Műveleti erősítők mérése levelező tagozatos, főiskolai szintű villamosmérnök hallgatóknak (2003.) 9.
4. Mérje meg a kivezérelhetőség mértékét! 3. mérési pont szerinti összeállításban addig változtassa a bemeneti feszültséget, amíg a kimenet már nem követi lineárisan a bemenet változását. égezze el a mérést ellenkező polaritású bemeneti feszültség esetén is! 5. djon az erősítő bemenetére 0.5 eff értékű 1 khz frekvenciájú szinuszos jelet. z oszcilloszkóppal határozza meg a fáziskülönbség mértékét! 3.3. Invertáló bemenet felöl vezérelt összegző erősítő U a R 3 U b ½µ747 Mérési feladatok 1. Állítsa össze a kapcsolást az alábbi elemértékkel: =R 3 =27 kω, = 12 kω! 2. égezze el az ofszet-kiegyenlítést! 3. djon az a bemenetre kb. 3, a b bemenetre kb. -4 egyenfeszültséget. Mérje meg a kimeneti feszültségeket és határozza meg, hogy a kimeneti jelben az a ill. a b bemenet jele mekkora súllyal részesedik! 4. djon a b bemenetre kb. 1 eff, 1 khz-s szinusz alakú jelet, az a bemenetre pedig akkora egyenfeszültséget, hogy a kimenet lüktető egyenfeszültség legyen! Mérje meg, hogy mekkora egyenfeszültséget kellett az a bemenetre adnia ennek az állapotnak az eléréséhez! Indokolja meg az eredményt! Figyelje meg, hogy hogyan változik a kimeneti jel alakja, ha a bemeneti feszültséget az a ponton -5...+5 tartományban változtatja! 3.4. Kivonó erősítő R 3 U a ½µ747 U b R 4 1. Állítsa össze a kapcsolást az alábbi elemértékekkel: R l = =12 kω, R 3 =R 4 = 27 kω! 2. égezze el az ofszet-kiegyenlítést! 3. djon az "a" bemenetre +2 -ot, a "b" bemenetre +3 -ot. Mérje meg a kimeneti feszültséget, számítsa ki az erősítést! 4. Kösse össze a két bemenetet és adjon a közös bemenetre a +5... -5 tartományban egyenfeszültséget 1 -os lépésenként! Mérje meg a kimeneti feszültséget és határozza meg a kapcsolás közösmódusú elnyomási tényezőjét! Dr. Kovács Ernő: Műveleti erősítők mérése levelező tagozatos, főiskolai szintű villamosmérnök hallgatóknak (2003.) 10.
3.5. Integrátor C U be ½µ747 1. Állítsa össze a kapcsolást az alábbi elemértékekkel: = 100 kω, =12 kω, C = 10 nf! 2. égezze el az ofszet-kiegyenlítést! 3. djon az integrátor bemenetére 1 eff értékű szinuszosan változó jelet a 20Hz...10kHz tartományban (célszerűen először a 20, 50, 100, 200, 500 Hz, 1, 2, 5, 10 khz frekvenciákon végezze el a mérést, majd ahol eltérést tapasztal az ideális integrátor karakterisztikájától, ott sűrítse a mérési pontokat)! Mérje meg és ábrázolja az amplitúdó-karakterisztikát! Jelölje be azt a tartományt, amelyben a kapcsolás integrátorként használható! karakterisztika alapján határozza meg az integrálási időállandót! kapcsolási rajz alapján számítással ellenőrizze a kapott érték helyességét! 4. djon az integrátor bemenetére négyszögjelet, amelynek lineáris középértéke kb. 0, amplitúdója ±1, frekvenciája 130 Hz; 1.3 khz; 5 khz! Rajzolja le és értelmezze a kimeneti jelalakokat! 5. djon az integrátor bemenetére az integrálási időállandónak megfelelő frekvenciájú szinuszosan változó 1 eff értékű jelet! Mérje meg oszcilloszkóppal a ki- és bemeneti jel közötti fáziseltérést! 3.6. Differenciátor C U be ½µ747 1. Állítsa össze a kapcsolást az alábbi elemértékekkel: =12 kω, = 100 kω, C = l.5 nf! 2. djon a bemenetre 10 Hz 20 khz frekvencia-tartományban (10, 20,50, 100, 200, 500 Hz, 1, 2, 5, 10, 20 khz) 1 eff értékű szinuszosan változó jelet! Mérje meg kimeneti jeleket! Ábrázolja az amplitúdó-karakterisztikát! karakterisztika alapján határozza meg a differenciálás időállandóját! Ellenőrizze számítással a mért érték helyességét! 3. djon a kapcsolás bemenetére ±1 amplitúdójú 100 Hz, 1kHz, 10 khz frekvenciájú négyszög alakú jelet! Rajzolja le és értelmezze a kimeneti jelalakokat! Dr. Kovács Ernő: Műveleti erősítők mérése levelező tagozatos, főiskolai szintű villamosmérnök hallgatóknak (2003.) 11.
3.7. PI-alaptag R 3 C u be ½µ747 1. Állítsa össze a kapcsolást az alábbi elemértékekkel: =8,2 kω, =12 kω, C=10 nf, R 3 = 270 kω! 2. égezze el az ofszet-kiegyenlítést! 3. djon a bemenetre a 100Hz..20kHz tartományban 0.5 eff értékű szinuszosan változó jelet! Mérje meg a kimeneti jeleket! Ábrázolja az amplitúdó-karakterisztikát! karakterisztika alapján határozza meg az arányos- és az integráló tartományt. 4. djon a bemenetre 100 Hz, 1 és 10 khz frekvenciájú, ±0.5 amplitúdójú négyszög alakú jelet, amelynek egyenkomponense 0! Közelítőleg ábrázolja a jelalakokat és értelmezze azokat! 3.8. Neminvertáló bemenetről vezérelt komparátor ½µ747 u be 1. Állítsa össze a kapcsolást az alábbi elemértékekkel: = 12 kω, = 100 kω! 2. djon a komparátor bemenetére a +5... -5 tartományban egyenfeszültséget 0,5 -os lépésközönként! ( billenési pontok környékén növelje a mérési pontok számát!) Mérje a kimeneti feszültséget! Ábrázolja a komparátor transzfer karakterisztikáját és határozza meg a hiszterézis-tartomány nagyságát! 3.9. Invertáló bemenetről vezérelt komparátor u be ½µ747 Dr. Kovács Ernő: Műveleti erősítők mérése levelező tagozatos, főiskolai szintű villamosmérnök hallgatóknak (2003.) 12.
1. Állítsa össze a kapcsolást az alábbi elemértékekkel = 8,2 kω, = 100 kω! 2. djon a komparátor bemenetére a +5...-5 tartományban egyenfeszültséget 0,5 -os lépésközönként! ( billenési pontok környékén növelje a mérési pontok számát!) Határozza meg a billenési feszültségek értékét! Ábrázolja a komparátor transzfer függvényét és határozza meg a hiszterézis-tartomány nagyságát! 3.10. stabil multivibrátor (M) ½µ747 R 3 U ki u c C l. Állítsa össze a kapcsolást az alábbi elemértékekkel: =12 kω, =27 kω,r 3 =12 kω, C=68 nf! 2. Oszcilloszkóp segítségével határozza meg az M frekvenciáját! izsgálja meg a kondenzátor feszültségének (u c ) jelalakját! Ábrázolja a kimeneti feszültség és a kondenzátor feszültség jelalakját közös ábrában! 3.11. Földfüggő terhelésű áramgenerátor R 3 R 5 U a ½µ747 R 6 U b R 4 R t m 1. Állítsa össze a kapcsolást az alábbi elemértékekkel = =12 kω, R 3 =R 4 =27 kω, R 5 =R 6 =1 kω, R t = 0Ω! 2. Kösse az "a" bemenetet földpotenciálra! djon a "b" bemenetre a +5... -5 tartományban 1 -os lépésként egyenfeszültséget és mérje meg a kimeneti áramot! Ábrázolja az átviteli karakterisztikát! Határozza meg a K=dI ki /du be konverziós tényezőt! 3. égezze el a 2. feladatot úgy, hogy a "b" bemenetet kösse földpotenciálra és az "a" bemenet felől vezérelje az áramgenerátort! Ábrázolja közös karakterisztikában a két mérés eredményeit! Dr. Kovács Ernő: Műveleti erősítők mérése levelező tagozatos, főiskolai szintű villamosmérnök hallgatóknak (2003.) 13.