Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék M7 A mérés célja: A mérés során felhasznált eszközök: A mérés során elvégzendő feladatok: 1. A mérés tárgya: Műveleti erősítők alkalmazása D524 Analóg műveletek végzése erősítőkkel. Forrasztási készség elsajátítása nyomtatott hzalozású lapon. 1. Forrasztópáka 2. Műveleti erősítő (741N) 3. 2db 12V-os tápegység 4. Digitális feszültségmérő 5. Digitális oszcilloszkóp 1. Összegző, Integrátor, Komparátor vizsgálata A mérés tárgya a műszertechnikában leggyakrabban alkalmazott 741-es típsú integrált műveleti erősítő alkalmazásával alapkapcsolások megvalósítása. A gyakorlat során a speciálisan erre a célra készített nyomtatott hzalozású 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 hzaldarabokat 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 tán, 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 banándgók segítségével lehet a mérőpanelt összekötni a digitális mltiméterrel 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 kapnk. 2. ábra Feszültségkövető kapcsolás Ez a kialakítás kitűnő elválasztást eredményez két fokozat között. Gyakran alkalmazzk olyan esetekben, amikor csak nagy impedanciával lehet egy szűrőáramkör, oszcillátor stb. kapcsolás kimeneti jelét a következő fokozat felé továbbítani, mert példál a terhelő-ellenállás erősen módosítaná a szűrő frekvenciamenetét vagy az oszcillátor rezgési frekvenciáját. - 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 tlajdonságból, hogy az erősítő bemeneti ellenállása végtelen nagy, az következik, hogy a műveleti erősítő invertáló és nem-invertáló bemenetére áram nem folyik. ( 0 -on áram nem folyik, rajta feszültségesés sem tapasztalható, + feszültsége 0 V lesz.) Mindebből követezően az invertáló bemenet virtális földpontnak tekinthető. Ekkor az invertáló bemenetre felírt csomóponti törvény értelmében: 1 2 be1 ki i A i 1 2 ki 0 ki 2 1 0 be1 2 be1 1 - 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 + = - és be1 = A. Az erősítő bemenete a végtelen nagy bemeneti ellenállás miatt szakadásnak tekinthető, ezért az A pont feszültsége az alábbi feszültségosztó képlettel adható meg: A 11 11 2 ki 4. ábra Fázist nem fordító (nem-invertáló) alapkapcsolás A fenti egyenletekből a visszacsatolt feszültségerősítés (A * ) már kifejezhető: ki ki 11 2 2 A 1 be1 A 11 11 M7/3 v.2011.09.30.
- 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 hozhatnk létre. Kihasználva, hogy az invertáló bemenet virtális földponton van, a bemeneti feszültségek árammá alakíthatók és összegezhetők. 5. ábra Összegző kapcsolás A virtális földpontra felírt csomóponti törvény alapján: be 1 be2 ki 0 1 11 2 a a ahol: a 1 és a 2 az összegző súlytényezői 2 2 ki be1 be2 1 be1 2 be2 1 11 - 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 hívjk segítségül a szperpozíció elvét. Kössük először az be2 -es bemenetet földre, majd vezéreljük a kapcsolást az be1 -es bemeneten. Ekkor a kapcsolás úgy viselkedik, mint egy invertáló alapkapcsolás. Eztán fordítsk meg a vezérlést. Legyen be1 =0 és kapcsoljnk vezérlő jelet be2 -re. Áramkörünk ilyenkor neminvertáló alapkapcsolásként működik, melynek bemeneti jele egy feszültségosztó tán jt a nem-invertáló bemenetre. A kimeneti feszültség általános vezérlés mellett a két különböző beállítással kapott kimeneti jel összege lesz. 1 ki a2 be2 a1 be 1 ahol: a 1 és a 2 az kivonó súlytényezői 2 0 0 2 0 ki be1 be2 be1 be2 1 10 0 10 1 10 ha 1 10 és 2 0, akkor: 2 0 2 2 2 ki be1 be2 be1 be2 be2 be1 1 10 1 1 1 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 közösmódsú jelelnyomási tényező értéke alacsony, az 2 / 1 arányok nem pontosan azonosak a két ágban. - Jegyezze fel a kapcsolásoknál alkalmazott ellenállás értékeket! - Hasonlítsa össze a mért és a számított kimenő feszültség értékeket! 3.6 Integrátor kapcsolás vizsgálata Vizsgáljk meg az alábbi kapcsolás bemeneti és kimeneti jele közötti kapcsolatot: M7/5 v.2011.09.30.
7. ábra Integrátor kapcsolás Írjk fel a csomóponti törvényt a műveleti erősítő invertáló bemenetére! be1 1 d dt ki dki C1 0 dt t 1 C be1 1 ( t) dt ( t 0) ki be1 ki0 C 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: dki 1 1 be 1 Laplace Uki ( s) s Ube 1( s) dt C C Uki () s 1 1 Y U () s Cs Ts be1 Az átviteli függvényben szereplő negatív előjel a fázisfordító erősítés miatt jelenik meg. Az integrátor időállandója T C Építse fel az integrátort a mérőpanelen. Az integrálás megkezdése előtt célszerű a C1 kondenzátort kisütni, hogy a kezdeti feltételként a kimenő feszültség nlla legyen. A bemenő feszültséget a C1 kondenzátor rövidre zárása mellet kell beállítani és méri. A kimenő jel időbeli leftását digitális, tárolós oszcilloszkópon lehet nyomon követni. Az oszcilloszkópról leolvasható a kimenő jel dt/d ki meredeksége, amelynek segítségével meghatározható az időállandó értéke. - 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 vizsgáljk meg a műveleti erősítő viselkedését visszacsatolás nélkül. Legyen az invertáló bemenet egy ref 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 változni: be2 ref ki ki _ MAX be2 ref ki ki _ min A bemeneti és a kimeneti jel közötti kapcsolatot abban az esetben, ha ref > 0: A kimeneti jel a következők szerint fog változni: be1 ref ki ki _ min be1 ref ki ki _ MAX A bemeneti és a kimeneti jel közötti kapcsolatot abban az esetben, ha ref > 0: 10. ábra A feszültségkomparátor transzfer karakterisztikája 11. ábra Az invertáló komparátor transzfer karakterisztikája A műveleti erősítő kimeneti feszültségének minimális értéke ( ki _ min tápfeszültség felett van 1,5-3 V-tal. A kimeneti feszültség maximális értéke ( ) általában a negatív ki _ MAX ) pedig a pozitív tápfeszültség alatt található kb. gyanennyivel. Ezek az értékek természetesen függnek a terheléstől és a műveleti erősítő kimeneti fokozatának kialakításától. - 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 tlajdonságokkal 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 jtnk: 12. ábra Fázisfordító Schmitt-trigger A kimeneti és a bemeneti jel közötti kapcsolatot a 13. ábrán láthatjk: 13. ábra A fázisfordító Schmitt-trigger bemeneti és kimeneti jele közötti kapcsolat Az M és m billenési küszöbök az alábbi képletekkel határozhatók meg: 0 M ki _ MAX 0 3 m 0 0 3 ki _ min A bekapcsolási tranziens lezajlása tán tételezzük fel, hogy a műveleti erősítő kimenete a pozitív tápfeszültség közelében lévő lehetséges maximmra, -ra áll be. Ekkor a nem- ki _ MAX M7/8 v.2011.09.30.
invertáló bemenet M 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 értéket veszi fel. Ezzel megváltozik ki _ min a nem-invertáló bemenet feszültsége is m -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, a kimeneti feszültség ismét ki _ MAX -ra vált. Ezzel a folyamat kezdődhet elölről. m 14. ábra A fázisfordító Schmitt-trigger idődiagramja Az M és az m feszültségszintek (küszöbök) közötti különbséget hiszterézisnek hívjk H. Értéke ebben a kapcsolásban 0 H ki _ MAX ki _ min Fázist nem fordító Schmitt-trigger 0 3 Az invertáló erősítő bemeneteinek felcserélésével egy másik hiszterézises komparátorhoz jtnk. 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: 10 M ki _ MAX 3 m 10 3 ki _ min A kapcsolás működését a 16. ábra szemlélteti. A kimeneti feszültség mindaddig ki _ MAX marad, ameddig a bemeneti jel m szintje alá nem csökken. Ekkor a kimenet ki _ min -ra vált át és mindaddig ott is marad, ameddig a bemeneti jel M -t meg nem haladja. A hiszterézisfeszültség értéke ennél a kapcsolásnál: 10 H ki _ MAX ki _ min 3 16. ábra A fázist nem fordító Schmitt-trigger bemeneti és kimeneti jele közötti kapcsolat M7/10 v.2011.09.30.
Mindkét Schmitt-trigger kapcsolásnál 17. ábra A fázist nem fordító Schmitt-trigger idődiagramja ki _ MAX és ki _ min értéke tápfeszültségfüggő és nagy valószínűséggel változik a különböző típsú műveleti erősítők cseréjével. Ennek a problémának az áthidalására, illetve a kimeneti feszültségszintek pontosabb beállítására a kimenetre diódá(ka)t vagy Zéner-diódá(ka)t kapcsolnk. Ezekkel rögzíteni lehet a kimeneti feszültség értékét. De nem csak azt. Hiszen ezzel a megoldással a kimenet által meghatározott M és m 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 elmozdítjk. Ez mindössze azzal a kapcsolástechnikai módosítással jár, hogy a műveleti erősítő nem vezérelt bemenetét a földpotenciál helyett egy referenciafeszültségre kapcsoljk. Ha a referenciafeszültség nem lesz már egyenlő nllával, akkor viszont számolnnk kell azzal a nehézséggel, hogy a hiszterézisablak nem lesz a továbbiakban szimmetriks a referenciafeszültségre nézve. M7/11 v.2011.09.30.