3. Laboreinheit - Hardwarepraktikum SS 2003

3. Laboreinheit - Hardwarepraktikum SS 2003
1. Versuch: Operationsverstärker als Nichtinvertierender Verstärker
Vorbereitung
Stellen Sie die Gleichungen zur Berechnung der Widerstände in der dargestellten Schaltung
(Abbildung 1) zusammen. Machen Sie sich mit den Datenblättern und den Anschlußbelegungen für
die 2- und 4-fach Operationsverstärker TL072 und TL074 (siehe TL072.pdf) vertraut.
Laboraufgabe
Abbildung 1
A1 Berechnen Sie für die Verstärkerschaltung (Abbildung 1) den notwendigen Widerstand für R4, um
bei R3 = 110 Ω eine Verstärkung von V = 5 zu realisieren. Überprüfen Sie die Ergebnisse mit
einer Schaltungssimulation.
A2 Bauen Sie die Schaltung auf und verwenden Sie die in der Schaltung (Abbildung 1) angegebenen
Widerstandswerte. Stellen den Widerstand R4 auf den von ihnen berechneten Wert ein und
untersuchen Sie Funktion der Schaltung messtechnisch. Dokumentieren Sie dazu die Zeitverläufe
der Spannungen an den Knotenpunkten A und B bei einer Wechsel-, einer Misch- und einer
Gleichspannung am Eingang A. Welche Grenzen für den Einsatz als Verstärker leiten sich für die
Eingangsspannung aus der eingestellten Verstärkung ab?
A3 Welche Auswirkung hat eine Offsetspannung des Frequenzgenerators auf die Funktion der
Schaltung als Verstärker?
2. Versuch: Operationsverstärker als Wechselspannungsverstärker
Vorbereitung
Stellen Sie die Gleichungen zur Berechnung der Kapazität und der Grenzfrequenz in der
nebenstehenden Schaltung zusammen.
Abbildung 2
Laboraufgabe
A1 Berechnen Sie die Grenzfrequenz der Schaltung für die angegebenen Bauelementewerte
(Abbildung 2). Bauen Sie die Schaltung auf, verwenden Sie die Widerstands- und
Kapazitätswerte aus der abgebildeten Schaltung. Der Verstärkungsfaktor der Schaltung ist auf
V=10 einzustellen.
A2 Weisen Sie messtechnisch die Funktion der Schaltung als Wechselspannungsverstärker nach und
überprüfen Sie die Ergebnisse mit einer Schaltungssimulation. Untersuchen Sie dabei das
Verhalten der Schaltung bei Wechsel-, Misch- und Gleichspannungen als Eingangssignal am
Knotenpunkt E. Dokumentieren Sie dazu ausgewählte Zeitverläufe an den Punkten E und B der
Schaltung und weisen Sie messtechnisch die Verstärkungsfaktoren nach. Verwenden Sie zur
Bestimmung des Verstärkungsfaktors die Cursor-Funktion des Oszilloskops.
3.
Versuch: Operationsverstärker als Komparator ohne Hysterese
Vorbereitung
Machen Sie sich mit der Funktion und der Berechnung der abgebildeten Komparatorschaltung
(Abbildung 3) vertraut.
Abbildung 3
Abbildung 4
Laboraufgabe
A1 Bauen Sie die Schaltung (Abbildung 3) auf, verwenden Sie statt der Referenzspannungsquelle
(Abbildung 3) die Ersatzschaltung (Abbildung 4). Untersuchen Sie für die aufgebaute Schaltung
das Verhalten bei unterschiedlichen Eingangsspannungsformen (sinusförmig, rechteckförmig und
sägezahnförmig) bei einer Eingangsspannung UE von 8V und einer Frequenz f von 1kHz.
Dokumentieren Sie die Zeitverläufe und diskutieren Sie die Ergebnisse.
A2 Verändern Sie die Polarität der Referenzspannung. Welche Auswirkung auf die Funktion der
Schaltung ist zu registrieren? Wie muss die Schaltung geändert werden, um einen invertierenden
Komparator zu realisieren?
A3 Welche Auswirkung hat eine Offsetspannung des Frequenzgenerators auf die Schaltung (pos.
oder neg. Offsetspannung) in Bezug auf das Schaltverhalten des Operationsverstärkers?
Untersuchen Sie für zwei ausgewählte Fälle (Spannungswerte und Offsetspannung) das Verhalten
des Operationsverstärkers und dokumentieren Sie diese Fälle.
4.
Versuch: Operationsverstärker als Komparator mit Hysterese
Vorbereitung
Machen Sie sich mit der Funktion und der Berechnung der abgebildeten Komparatorschaltungen
(Komparator mit Referenzspannung mit Hysterese) vertraut. Berechnen Sie für die untere Schaltung
die Schalthysterese bei den angegebenen Widerstandswerten und einer Sättigungsspannung von +/15V.
Abbildung 5
Für die Referenzspannung nutzen Sie die Schaltung aus Abbildung 4.
Laboraufgabe
A1 Untersuchen Sie für die angegebenen Schaltungen das Verhalten bei unterschiedlichen
Eingangsspannungsformen (sinusförmig, rechteckförmig und sägezahnförmig) bei UE von 8V
ohne Offsetspannung und einer Frequenz f von 1kHz und stellen Sie den Wert des Potentiometers
auf etwa 20 kΩ ein (R4 + R3 ≈ 25 kΩ). Dokumentieren Sie die Zeitverläufe an den Messpunkten
A und B und diskutieren Sie die Ergebnisse.
A2 Ermitteln Sie das Verhalten der Schaltungen bei unterschiedlichen Widerstandswerten der
Rückkopplung (R3 = 0 Ω, 25 kΩ und 50 kΩ). Die Untersuchung der Zeitverläufe erfolgt bei
einen sinusförmigen Eingangsspannung UE von 8V ohne Offsetspannung und einer Frequenz f
von 1kHz. Dokumentieren Sie die Zeitverläufe an den Messpunkten A und B mittels CursorMessung. Ermitteln Sie die Hysterese bei den verschiedenen Widerstandswerten und diskutieren
Sie die Ergebnisse.
A3 Welche Auswirkung hat eine Offsetspannung des Frequenzgenerators auf die Schaltung?
Untersuchen Sie zwei selbstständig ausgewählte Fälle (Spannungswerte und Offsetspannung) und
dokumentieren Sie diese mittels Oszilloskope.
A4 Überlegen Sie, welche Auswirkungen ein sehr kleiner oder sehr großer Rückkoppelwiderstand
(R3 und R4) auf die Schaltung hat. Begründen Sie Ihre Meinung.
5.
Versuch: Operationsverstärker als DA-Wandler
Der Operationsverstärker wird hier als Digital - Analog Wandler genutzt. Der Versuch ist
ausschließlich unter Nutzung des Simulationsprogramms durchzuführen.
Vorbereitung
Machen Sie sich mit der dargestellten Schaltung vertraut. Betrachten Sie die Verhältnisse der
Widerstände zueinander, welche Wirkung hat das Verhältnis der Widerstände in Bezug auf die
Codierung von Digitalsignalen. Bereiten Sie zusätzlich die Gleichung, für die Ermittlung der
Ausgangsspannung, vor.
URefO
URefU
Abbildung 6
untere Ref. -spannung
SE1
SE2
obere Ref. -spannung
Abbildung 12
Laboraufgabe
A1 Berechnen Sie die untere Referenzspannung URef1 am Punkt A und obere Referenzspannung URef2
am Punkt B für die Schaltung (Abbildung 11), für den Fall das die Spannung U1 in einem Bereich
von –5V bzw. +10V einstellbar sein soll. Benutzen Sie für die Potentiometer Ref1 und Ref2 100
Ohm Potentiometer. Wie würden sich 10k Ohm Potentiometer auf den Versuch auswirken?
A2 Berechnen Sie im voraus die Stufen der Ausgangsspannung, tragen Sie die Werte in eine Tabelle
ein (ähnlich Mustertabelle).
A3 Geben Sie die Schaltung (Abbildung 6) in der Simulationssoftware ein. Verwenden Sie für die
Widerstände RRef1 und RRef2 die von ihnen berechneten Werte. Messen Sie die Spannungen an den
Punkten A, B und C nach. Vergleichen Sie die Berechneten Werte mit denen aus der Simulation.
Mustertabelle
Schalter A in
Stellung
SE1
SE2
Schalter B in
Stellung
SE1
...
Schalter C in
Stellung
SE1
...
Schalter D in
Stellung
SE2
...
Ausgangsspannung U1
berechnet / gemessen
...
...
...
...
6.
Versuch: Operationsverstärker als AD-Wandler
In dem Versuch wird die Funktion eines AD-Wandlers untersucht. Nutzen Sie dazu ausschließlich die
Simulationssoftware.
Laboraufgabe
A1 Erweitern Sie die abgebildete Schaltung in einen 4 Bit AD-Wandler. Die obere und untere
Referenzspannung soll jeweils im Bereich von +/- 10V einstellbar sein und das Eingangssignal
des AD-Wandlers soll unter Nutzung eines Frequenzgenerators bereitgestellt werden.
A2 Weisen Sie die Funktion des AD-Wandlers für den unipolaren und bipolaren Betrieb und mit
unterschiedlichen Wandlungsfenstern im Bereich von +/-10V nach.