ES 1-2 Mai 08

TI 4. Semester
Technische Informatik
Praktikum: Elektronische Schaltungstechnik I, 90min
Raum:
Labor Schaltungs- und Prozessortechnik
Betreuung: Prof. Dr.-Ing. M. Viehmann
Versuch:
Thema:
ES 1.2
Operationsverstärker
1. Versuchsziel
Auf der Grundlage einer Aufgabenstellung zum Operationsverstärker als Summierer,
Differenzverstärker,
Integrierer und Dreieck-Rechteck-Generator werden der
Schaltungsentwurf und der praktische Test durchgeführt, mit dem Ziel, die Fähigkeiten
und Fertigkeiten in der Schaltungstechnik sowie Messtechnik weiter auszuprägen. In
diesem Zusammenhang werden das Funktionsprinzip exemplarisch gewählter analoger
Rechenschaltungen und des Dreieck-Rechteck-Generators verdeutlicht.
2. Vorbereitung
2.1 Schaltungen und Funktion
Summierer
Im Bild 1 ist ein Summierer dargestellt. Es handelt sich um einen invertierenden
Verstärker, der mehrere Eingänge besitzt, mit deren Hilfe Eingangspannungen gewichtet
(durch die Einzelverstärkungen mit einem Faktor versehen) summiert werden können.
R02
Ue1
Ue2
R11
R12
VSIN-
Ue3
R13
OUT
IN+
VS+
Bild 1: Summierer mit OV
1 von 5
Ua
Die Ausgangsspannung der dargestellten Schaltung ergibt sich aus:
R02
R
R
U e1 + 02 U e 2 + 02 U e3
R11
R12
R13
Ua = −
(1)
Differenzverstärker
Der im Bild 2 dargestellte Differenzverstärker liefert als Ausgangsspannung die Differenz
zweier Eingangsspannungen, wobei jede Eingangsspannung oder die Differenz mit einem
Faktor versehen werden können.
R2
Ue1
Ue2
R1
VSIN-
R3
OUT
IN+
Ua
VS+
R4
Bild 2: Differenzverstärker mit OV
Die Ausgangsspannung der dargestellten Schaltung ergibt sich aus:
Ua =
R4 ( R1 + R2 )
R
U e 2 − 2 U e1
R1 ( R3 + R4 )
R1
(2)
Integrierer
Die Schaltung im Bild 3 liefert als Ausgangsspannung das Integral der
Eingangsspannung. Die Ausgangsspannung der dargestellten Schaltung ergibt sich aus:
ua = −
1
u e (t )dt + U a 0
R1C1
(3)
Die Spannung Ua0 liegt zu Beginn der Integration bereits am Ausgang an. Bei einer
konstanten Eingangsspannung ergibt sich eine sich zeitlich linear ändernde
Ausgangsspannung (Rampenfunktion). Mit Ue = konst. und Ua0 = 0 gilt:
∆u a = −
Ue
∆t
R1C1
(4)
2 von 5
C1
Ue
R1
VSINOUT
IN+
Ua
VS+
Bild 3: Integrierer mit OV
Dreieck-Rechteck-Generator
Der Dreieck-Rechteck-Generator, siehe Bild 4, wird durch einen Integrierer und durch
einen nichtinvertierenden Schmitt-Trigger gebildet. Er liefert ein Dreieck- und
Rechtecksignal mit der Schwingungsdauer (bei sym. Betriebsspannung):
T = 4 R1C1
R2
R3
(5)
C1
R3
R1
R2
2
1
3
3
1
2
Ua1
Ua2
Bild 4: Dreieck-Rechteck-Generator mit OV
3 von 5
2.2 Aufgaben zur Vorbereitung
1. Summierer: Berechnen Sie mittels Gleichung (1) die Faktoren für die Wichtung der
Eingänge mit den Werten R02 = 20k, R11 = 10k, R12 = 20k, R13 = 40k!
2. Differenzverstärker: Vereinfachen Sie die Gleichung (2) mit R1 = R3 = 10k und R2 = R4
= 20k!
3. Integrierer: Berechnen Sie die Zeit ∆t für ∆ua = -2V mit R1 = 200k, C1 = 10µ und Ue =
konst. = 1V!
4. Informieren Sie sich über weitere analoge Rechenschaltungen mit OV, so z.B.
Differenzierer, Logarithmierer, Exponentialverstärker!
5. Berechnen Sie die zu erwartende Frequenz des Dreieck-Rechteck-Generators bei
folgender Dimensionierung: R1 = 10k, C1 = 0.1µ, R2 = 10k, R3 = 20k. Stellen Sie
Überlegungen an, durch welche Maßnahmen eine einstellbare Frequenz und ein
veränderliches Tastverhältnis realisiert werden können!
3. Ausrüstung
Ausrüstungsgrundlage bildet das hps Analogboard. Weiterhin kommen folgende Geräte
und Anordnungen zum Einsatz:
-
Zweikanaloszilloskop
Labornetzteil
Digitalmultimeter
Kabel
Widerstandsdekaden
4. Literatur
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•
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•
•
•
Vorlesungsmitschriften und Übungen "Bauelemente und Grundschaltungen" und
"Elektronische Schaltungstechnik"
Bauer, Wagener: Bauelemente und Grundschaltungen der Elektronik, Bände 1 und 2.
Hanser Verlag. ISBN 3-446-15243-1
Ose: Elektrotechnik für Ingenieure, Band 2 - Anwendungen. Fachbuchverlag Leipzig.
ISBN 3-446-18856-8
Seifart: Analoge Schaltungen. Verlag Technik Berlin. ISBN 3-341-01089-0
Tietze, Schenk: Halbleiterschaltungstechnik. Springer Verlag. ISBN 3-540-56184-610
Vogel-Fachbuch, Bände 1 - 6. Vogel Buchverlag. ISBN 3-8023-0528-0
5. Versuchsdurchführung
5.1 Summierer
Bauen Sie die Schaltung mit den Werten von 2.2 auf. Beschalten Sie die Eingänge mit
Ue1 = 0,5V; Ue2 = 1V und Ue3 = 1V und ermitteln Sie Ua!
Auswertung: Überprüfen Sie die Richtigkeit der Gleichung (1) sowie des ermittelten
Ausdrucks unter Punkt 2.2!
4 von 5
5.2 Differenzverstärker
Bauen Sie die Schaltung mit den Werten von 2.2 auf. Beschalten Sie die Eingänge mit
Ue1 = 1V und Ue2 = 2V und ermitteln Sie Ua!
Auswertung: Überprüfen Sie die Richtigkeit der Gleichung (2) sowie des ermittelten
Ausdruckes unter Punkt 2.2!
5.3 Integrierer
Bauen Sie die Schaltung mit den Werten von 2.2 auf. Ermitteln Sie messtechnisch die
Zeit ∆t. Realisieren Sie Ua0 = 0, indem Sie C1 überbrücken (dann Ua = 0) und für den
Start der Integration den Kurzschluss aufheben!
Auswertung: Vergleichen Sie den berechneten und den gemessenen Zeitwert und
diskutieren Sie Ursachen möglicher Abweichungen!
5.4 Dreieck-Rechteck-Generator
Bauen Sie die Schaltung mit den Werten von 2.2 auf. Ermitteln Sie messtechnisch die
Frequenz.
Testen
Sie
schaltungstechnische
Möglichkeiten
Frequenzeinstellung und einer Tastverhältniseinstellung!
zur
Realisierung
einer
Auswertung: Vergleichen Sie den berechneten und den gemessenen Frequenzwert und
diskutieren Sie Ursachen möglicher Abweichungen! Diskutieren Sie mögliche Grenzwerte
für Frequenz und Tastverhältnis!
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