Protokoll - ti2000.de
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Protokoll Elektronische Meßtechnik und Nachrichtenmeßtechnik B – Meßschaltungen mit Operationsverstärkern Frank Wetzel Rene Dinse Uwe Dettweiler J.-R. Korth FHTW-Berlin D3Ti1, WS 2001/2002 Elektrometerverstärker: Darstellung des Frequenzverhaltens eines invertierenden Verstärkers mit OPV in Abhängigkeit von der Verstärkung. Verstärkung= 1: Der verwendete OPV war vom Typ 741, der mit ±15V betrieben wurde. Als Eingangsspannung wurde eine Sinusspannung von 0,775V= 0dBu verwendet. Die Ausgangsspannung in Abhängigkeit der Frequenz zeigt das Diagramm1. FHTW-Berlin D3Ti1, WS 2001/2002 Verstärkung= 10, Verstärkung= 100: Die Verstärkung kann durch das Verhältnis von RG/ RE eingestellt werden. Für RE wurde ein Widerstand von 1,0kOhm gewählt. Verstärkung= 10: Für eine Verstärkung von 10 wurde ein RG= 10,14kΩ gewählt. Als Eingangsspannung wurde eine Sinusspannung von 77mV= -20dBu verwendet. Die Ausgangsspannung in Abhängigkeit der Frequenz zeigt das Diagramm1. Verstärkung= 100: Für eine Verstärkung von 100 wurde ein RG= 99,5kΩ gewählt. Als Eingangsspannung wurde eine Sinusspannung von 7mV= -40dBu verwendet. Die Ausgangsspannung in Abhängigkeit der Frequenz zeigt das Diagramm1. FHTW-Berlin D3Ti1, WS 2001/2002 Ausgangsspannung in Abhängigkeit der Frequenz: V= 1 V= 10 V= 100 40 V/ db 30 20 10 0 -10 1 10 100 f/ khz Diagramm1 Idealerweise müßten die abfallenden Flanken EINE abfallende Flanke ergeben. Die Streuung ist auf Bauelemente Toleranzen zurückzuführen. Trotzdem erkennt man sehr gut das Frequenzverhalten: Verstärkung * Bandbreite = konstant Das heißt, daß mit zunehmender Verstärkung die Bandbreite abnimmt. 1000 FHTW-Berlin D3Ti1, WS 2001/2002 Widerstandsmeßeinrichtung: Widerstandsmessung mit Hilfe eines invertierenden Verstärkers. Eine Anzeige von 1V soll einem Widerstand von 1kΩ entsprechen! Für RE wurde ein Widerstand von 1,0 kΩ (sehr genau) und als Uref wurde eine Spannung von 1,08V gewählt. Das Verhältnis von RX/ RE bestimmt nun die Verstärkung der Referenzspannung. Hat RX die Größe von 1kΩ, so ist die Verstärkung= 1, was eine Spannung von 1V am Ausgang zur Folge hat. Somit entspricht die Anzeige von 1V ⇒ 1kΩ. Tabelle1 zeigt die entsprechenden Ausgangsspannungen bei verschiedenen Größen von RX: Rx/ Ω 1000 2200 470 330 5100 47 Tabelle1 U~Rx/ mV 1030 2230 475 358 5290 48,5 FHTW-Berlin D3Ti1, WS 2001/2002 Instrumentierungsverstärker: Dimensionierung und Aufbau eines Instrumentierungsverstärkers mit einer Verstärkung von 10 und anschließender Messung der Differenz- und Gleichtaktverstärkung sowie des Aussteuerungsbereiches. Aufbau: Die Schaltung setzt sich aus zwei Stufen zusammen: Die erste Stufe besteht aus zwei miteinander verkoppelten Operationsverstärkern in Elektrometerschaltung. Die zweite Stufe stellt eine Subtrahierstufe dar, die aus einem invertierenden und einem nichtinvertirenden Zweig besteht. FHTW-Berlin D3Ti1, WS 2001/2002 Dimensionierung: Die Verstärkung von 10 wird durch foldende Gleichung bestimmt: V= (2*R1+ R0)/ R0 , mit R0= 22kΩ und R1= 100kΩ Da die Subtrahierstufe keine Verstärkung (also V= 1) machen soll, wurden die 4 Widerstände (mit R bezeichnet) gleich groß gewählt. R= 24kΩ/ 10% Gleichtaktverstärkung: Bei der Gleichtaktverstärkung wird an beiden Eingängen ein und dasselbe Signal angelegt: ue1= ue2= 4,38VPP= 6dBu ua= 60mVPP+ (-20mV DC-Offset) -> VGleichtakt= -37,3dB Austausch von R= 24kΩ gegen R= 1kΩ/ 1% ue1= ue2= 6dBu= 1,55V= 4,38VPP ua= 20mVPP+ (-20mV DC-Offset) VGleichtakt= ua/ ue= 20mV/ 4,38V= 4,57*10-3= -46,8dB Die Gleichtaktverstärkung beträgt –46,8dB. Durch den Austausch von R= 24kΩ/ 10% gegen R= 1kΩ/ 1% ließ sich die Gleichtaktverstärkung von –37,3dB noch um -9,5dB verbessern. FHTW-Berlin D3Ti1, WS 2001/2002 Differenzverstärkung: Bei der Differenzverstärkung wird beiden Eingängen ein unterschiedlich großes Signal angelegt. ue1= Masse ue2= 1,1VPP ua= 10,5VPP+ (-20mV DC-Offset) Bild1 Die Differenz der beiden Eingange beträgt etwa 1Volt, was am Ausgang 10Volt zur Folge hat. Da ue1< ue2 ist, beträgt der Phasenwinkel zwischen Ein- und Ausgang gleich 0Grad, was einem nichtinvertierendem Verstärken entspricht. FHTW-Berlin D3Ti1, WS 2001/2002 ue1= 1,1VPP ue2= Masse ua= -10,5VPP+ (-20mV DC-Offset) Bild2 Die Differenz der beiden Eingange beträgt etwa 1Volt, was am Ausgang -10Volt zur Folge hat. Da ue1> ue2 ist, beträgt der Phasenwinkel zwischen Ein- und Ausgang gleich 180Grad, was einem invertierendem Verstärken entspricht. FHTW-Berlin D3Ti1, WS 2001/2002 Aussteuerbereich: Um den Aussteuerbereich zu ermitteln, erhöht man am Eingang solange die Spannungsdifferenz, bis das Ausgangssignal gerade noch sauber ist. Das heißt, das ein Sinus noch keine Kappungsgrenzen aufweist. ue1= Masse ue2= 2,44VPP ua= 23,9VPP Bild3 Bei einer Eingangsdifferenzspannung von 2,44VPP hat die Ausgangsspannung von 23,9VPP gerade noch keine Kappungserscheinungen! (siehe Bild3) FHTW-Berlin D3Ti1, WS 2001/2002 ue1= Masse ue2= 2,63VPP ua= 25,2VPP Bild4 Wird die Eingangsdifferenzspannung weiter erhöht, so treten deutliche Kappungserscheinungen auf (siehe Bild4). Somit ist der Aussteuerbereich gleich 23,9VPP.
