Obrázek č. 1 : Operační zesilovač v zapojení jako neinvertující zesilovač

Transkript

1 Teoretický úvod Nízkofrekvenční zesilovač s OZ je poměrně jednoduchý elektronický obvod, který je tvořen několika základními prvky. Základní komponentou zesilovače je operační zesilovač v neinvertujícím zapojení se zápornou odporovou zpětnou vazbou. Pro omezení nízkých kmitočtů a stejnosměrného napětí (které by mohly poškodit generátor signálu), je na vstupu vazba, hornopropustný RC filtr. Ten je tvořen derivačním článkem Kondenzátorem C H a rezistorem R H. Obrázek č. 1 : Operační zesilovač v zapojení jako neinvertující zesilovač Pro napěťový přenos operačního zesilovače v neinvertujícím zapojení platí následující vztah: A U =1 R ZV [ ;, ] R 1 Je třeba také uvést vztahy pro přepočet přenosu na a z decibelů: a U =20log A U [ db ; - ] A U =10 20 [ - ; db ] a U Poté jsme do zapojení vložili dolní propust realizovanou rezistorem R D a. C D. Tu jsme vložili před vstup samotného zesilovače. K oddělení horní a dolní propusti jsme použili tzv. napěťový sledovač. Obrázek č. 2 a) : Dolní propust RC (integrační článek) Obrázek č. 2 b) : Horní propust RC (derivační článek) Pro horní nebo dolní mezní kmitočet RC článků platí tzv. Thompsonův vztah: f m H / D = = 1 [ Hz ;,F ] 2.. R.C Napěťový sledovač je jedno ze základních zapojení operačního zesilovače. Je tvořen pouze operačním zesilovačem, jehož záporná zpětná vazba je přímo (bez žádných rezistorů) připojena na jeho výstup. Vstupní signál je přiveden na neinvertující vstup. Tím je dosaženo, že napěťový přenos A U je roven 1, tedy napětí vstupní a výstupní se rovnají. Napěťový sledovač se používá tam, kde je potřeba obvykle oddělit dva prvky (např. kvůli nežádoucím rezonancím), nebo kvůli vysoké vstupní impedanci, aby nebyl zatěžován předchozí prvek. Obrázek č. 3 : Napěťový sledovač s OZ Celý obvod pak tedy vypadal následovně: Z generátoru měřícího systému UNIMA byl signál veden do dolnopropustního filtru R DC D, odtud pak přes napěťový sledovač do hornopropustního filtru R HC H. Poté je signál zesílen zesilovačem s OZ a přiveden na analogový vstup do UNIMy. UNIMA generátor dolní propust napěťový horní zesilovač sledovač propust s OZ Obrázek č. 4 : Blokové schéma měřícího obvodu UNIMA osciloskop Jméno: JAŠEK Martin Třída: T4 Číslo projektu: 204-4R List: 2/7

2 Schéma Schéma č. 1 : Zesilovač s horní propustí Schéma č. 2 : Zesilovač s horní i dolní propustí Tabulka použitých přístrojů Označení v zapojení Přístroj Typ Evidenční číslo Z ss zdroj BK U R 1 R ZV R D C H C D měřící systém UNIMA odporová dekáda odporová dekáda kapacitní dekáda UNMA-KS / Poznámka +5V ±5%, 1A ±15V ±5%, 0,3A digitální osciloskop: Z V=1MΩ, chyba 1,5% z rozsahu, 200ns až 500s/div, 3mV až 10V/div digitální generátor: 4 analogové průběhy 8mV až 8V, 68,7 mhz až 140kHz 0, ,9Ω Chyba 0,5% kω Chyba 0,5% nf Chyba 0,5% Jméno: JAŠEK Martin Třída: T4 Číslo projektu: 204-4R List: 3/7

3 Postup měření 1. Návrh zesilovače s horní propustí: Ze zadaného napěťového zesílení a U jsme si přepočítali napěťový přenos A U. Rezistor R 1 jsme si zvolili a k němu dopočítali R ZV. K zadanému R H jsme dopočítali C H použitím zadané dolní mezní frekvence f D. 2. Měření na zesilovači osciloskopem: Obvod jsme sestavili dle schématu č. 1 a na dekádách nastavili spočítané hodnoty. Na měřícím systému UNIMA jsme se přepnuli do módu Osciloskop a nastavili zadané parametry generátoru. Zobrazený průběh včetně změřených hodnot jsme si uložili. Poté jsme zvyšovali vstupní napětí, dokud nebylo znatelné zkreslení. Odečetli jsme hodnotu U PP ZKR a zobrazený průběh opět uložili. Následně jsme napětí snížili do stavu, kdy ještě průběh zkreslen nebyl, odečetli napětí U PP NZK a zobrazený průběh uložili. 3. Měření FPCH zesilovače: V UNIMě jsme se přepnuli do módu měření nf FPCH. Nastavili jsme parametry dle zadání. Zobrazený průběh jsme uložili. 4. Návrh dolnopropustního filtru: Zvolili jsme si hodnotu rezistoru R D. Dle zadané f H jsme dopočítali hodnotu kondenzátoru C D. Použitím modulu OZ jsme sestavili sledovač napětí, kterému jsme předřadili navržený dolnopropustní RC filtr sestavený použitím dekád. 5. Měření celého zesilovače: Sestavený dolnopropustný filtr se sledovačem napětí jsme připojili před zesilovač. Použitím módu nf FPCH systému UNIMA jsme vykreslili a uložili FPCH zesilovač s dolní i horní propustí. Tabulky naměřených a vypočítaných hodnot Tabulka č. 2 : Zadané a spočítané parametry zesilovače s OZ: napěťové zesílení a U [db] 22 napěťový zisk A U [-] 12,59 napájecí napětí U CC [V] ±15V rezistory ve zpětné vazbě R 1 [kω] 1,000 R ZV [kω] 11,59 Tabulka č. 5: Změřené (dopočítané) parametry zesilovače: měřeno při U 1 RMS=750mV (1,06V MAX) výstupní napětí U' 0 MAX [V] 13,010 U' 0 RMS [V] 9,199 skutečný napěťový zisk A' U [-] 12,265 skutečné napěťové zesílení a' U [db] 21,774 max. nekreslený rozkmit U PP NZK [V] 25,9 min. zkreslený rozkmit U PP ZKR [V] 26,3 Tabulka č. 3 : Zadané a spočítané parametry hornopropustního filtru: dolní mezní kmitočet f D [Hz] 300 odpor rezistoru R H [kω] 10,00 kapacita kondenzátoru C H [nf] 53,05 Tabulka č. 4: Zadané a spočítané parametry dolnopropustního filtru: horní mezní kmitočet f H [khz] 4 odpor rezistoru R D [kω] 4,00 kapacita kondenzátoru C D [nf] 9,95 Jméno: JAŠEK Martin Třída: T4 Číslo projektu: 204-4R List: 4/7

4 Výpočty Výpočet č. 1 :Návrh zesilovače s OZ: a) Přepočet napěťového zisku a U OZ na napěťový přenos A U OZ : 22 a U =20 log A U => A U =10 20 =10 20 =12,589 b) Volíme R 1 =1kΩ a dopočítáme R ZP : A U =1 R ZP R 1 a U => R ZP =R 1. A U 1 = ,59 1 =11,589k Výpočet č. 2 : Návrh hornopropustního filtru - výpočet C H: f D = => C 2.. R H.C H = = H 2.. f D. R H =53,052nF Grafy Graf č. 1 : Měřený signál dle zadání a současně signál s maximálním nezkresleným rozkmitem Graf č. 2: Průběh se znatelným zkreslením výstupního signálu Jméno: JAŠEK Martin Třída: T4 Číslo projektu: 204-4R List: 5/7

5 Graf. č. 3: FPCH zesilovače dle schématu č. 1 zesilovač s OZ a horní propustí Graf č. 4: FPCH dolnopropustního filtru s napěťovým sledovačem Graf č. 5: FPCH celého zesilovače (dle schématu č. 2) Jméno: JAŠEK Martin Třída: T4 Číslo projektu: 204-4R List: 6/7

6 Závěr Chyby měřících přístrojů 1. Chyby dekád: Při měření byly používány odporové a kapacitní dekády. Obzvláště pak u kapacitní dekády, jejichž kapacita se pohybuje v jednotkách nf bylo nutné požadované hodnoty kapacit zaokrouhlovat na celé nf, což značně zvýšilo celkovou odchylku měření. 2. Chyba měření systémem UNIMA: Z manuálu k měřícímu systému UNIMA vyplývá, že chyba digitálního osciloskopu by měla být nižší než 1,5%. Vzhledem k tomu, že osciloskop je pouze 8 bitový, tak můžeme tvrdit, že větší zkreslení měřeného průběhu je způsobeno digitalizací vstupního signálu a nízkým rozlišením při zoobrazení. Zhodnocení 1. Zhodnocení měřených průběhů (grafy 1 a 2): Měřením jsme dokázali, že operační zesilovač dokáže zesilovat bez velkého zkreslení i sinusové průběhy, pokud však není nabuzen do saturace. V tu chvíli se začne napětí blížit napájecímu, avšak i přestože poklesne zesílení, výstupní napětí nikdy nebude vyšší než napájecí. 2. Zhodnocení FPCH zesilovače s horní propustí (graf č. 3) Jak vyplývá z grafu, zesilovač má konstantní zesílení na frekvencích okolo 10 khz, avšak s klesající frekvencí začíná horní propust utlumovat nízké frekvence, na dolním mezním kmitočtu je už zesílení sníženo o 3dB. Přibližně na hodnotě 23Hz pak přechází do záporných hodnot, tedy celý zesilovač už tak nízké frekvence nezesiluje, ale zeslabuje. Podobná situace nastává i u vysokých frekvencí, kde je pokles způsoben vnitřním uspořádáním zesilovače, který v sobě má zahrnutou dolní propust. 3. Zhodnocení FPCH dolnopropustního filtru s napěťovým sledovačem (graf č. 4) Jelikož dolnopropustní filtr má nekladné zesílení, a napěťový sledovač, ikdyž je to aktivní prvek, by neměl ani zesilovat, ani zeslabovat, má tedy zesílení nulové, je jasné, že celý tento člen by měl mít zesílení nekladné. Důkazem toho je graf. Pro kontrolu můžeme z grafu vyčíst, že horní mezní kmitočet má hodnotu 4kHz, neboť na této hodnotě má celý prvek útlum 3dB. S rostoucí frekvencí klesá výstupní napětí, a je náchylnější na rušení a hůře měřitelné, což způsobilo znatelné překmity. 4. Zhodnocení FPCH zesilovače s horní i dolní propustí (graf č. 5) Když jsme zapojili obvod do finální podoby, tedy dle schématu č. 2, obvod okamžitě začal utlumovat jak vysoké, tak nízké frekvence. Vzhledem k tomu, že zadané hodnoty horní (4kHz) a dolní (300Hz) mezní frekvence jsou si celkem blízko a navzájem se jejich horní a dolní propust prolínají (tedy každá frekvence je utlumována budťo horní propustí, nebo dolní propustí, nebo oběmi současně), nelze jednoznačně určit graficky jejich mezní kmitočty. Jméno: JAŠEK Martin Třída: T4 Číslo projektu: 204-4R List: 7/7