2. Laboreinheit - Hardwarepraktikum SS 2001
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A3 Diskutieren Sie anhand der dokumentierten Zeitverläufe und der gemessenen Spannungen U1 und U2 die Zusammenhänge, die sich aus dem Ausgangskennlinienfeld des Transistors ergeben. 2. Laboreinheit - Hardwarepraktikum SS 2001 1. Versuch: Der bipolare Transistor als Schalter In diesem Versuch wird die Nutzung des Transistors als Schalter und die Nutzungsgrenzen aus dem Kennlinienfeld untersucht. Vorbereitung A4 Erläutern Sie die Grenzen der Nutzung als Inverter in Digitalschaltungen. Bestimmen Sie dafür die Schaltzeiten und Signallaufzeiten des Transistorsschaltung als Inverter bei R1 = 1.1kΩ und bei 1 MΩ und R2 = 5.6 kΩ bei einer Frequenz von 5 kHz. Dokumentieren Sie die Schaltzeiten und Signallaufzeiten durch Oszilloskopbilder, unter Verwendung der Cursor-Funktion des Oszilloskops. A5 Ermitteln Sie messtechnisch die Übertragungsfunktion des Negators für die Fälle aus Aufgabe A4. Dokumentieren Sie die Übertragungsfunktion durch Oszilloskopbilder und stellen Sie die Signale in XY Darstellung dar. Verwenden Sie als Eingangsspannung UE eine Dreieckspannung von 0V bis 5V (Offset nicht vergessen) bei einer Frequenz von 0.5 Hz und von 5kHz. Diskutieren Sie die Ergebnisse der Übertragungsfunktion. Machen Sie sich mit dem Datenblatt des Transistors BC 547 B (siehe BC547.pdf) vertraut. 2. Versuch: Kennlinie eines bipolaren Transistors als Verstärker Der Versuch soll durch Simulation und Experiment die Nutzungsmöglichkeit des bipolaren npnTransistors als Verstärker und die U/I-Verhältnisse in der ausgewählten Grundschaltung untersuchen. Vorbereitung Machen Sie sich mit dem Datenblatt des Transistors BC 547 B (siehe BC547.pdf) vertraut. Stellen Sie die Berechnungsgleichungen für die Widerstände R1 und R2 für die abgebildeten Schaltung (Abbildung 2) zusammen. Berechnen Sie den Widerstand R1, für einen Basisstrom des Transistors von 30µA, einem UBE von 700mV und einer Betriebsspannung UE von 10V aus. Berechnen Sie den Widerstand RC bei einer Stromverstärkung von 250 für den Arbeitspunkt (UCE = 5V). Ermitteln Sie nun den maximalen Kollektorstrom IC der Schaltung. Begründen Sie die Lage des Arbeitspunktes für den Einsatz des Transistors als Verstärker. Diskutieren Sie die Auswirkung der Verlagerung des Arbeitspunktes. Erläutern Sie die Funktion der Kondensatoren an den Knotenpunkten A und D. UE Abbildung 1 Laboraufgabe A1 Bauen Sie die Schaltung (Abbildung 1) auf und untersuchen Sie die Zeitverläufe der Spannungen an den Knotenpunkten A und B für eine rechteckförmige Eingangsspannung UE des Funktionsgenerators von 0...5V (Offset von 2.5V nicht vergessen) bei Frequenzen von 500 Hz, 5 kHz und 50kHz für folgende Kombinationen der Widerstände R1 und R2 . Dokumentieren und erläutern Sie die einzelne Messkurven. Kombination K1 R1 1MΩ R2 1.1 kΩ K2 1 MΩ 5.6 kΩ K3 1 MΩ 10 kΩ K4 1 MΩ 110 kΩ K5 1.1 kΩ 1.1 kΩ K6 1.1 kΩ 5.6 kΩ K7 1.1 kΩ 10 kΩ K8 1.1kΩ 110 kΩ UCE A2 Messen Sie für jede Widerstandskombination jeweils bei UE = 0V und UE = 5V die Spannungen U1 den Strom I1 und berechen Sie die Spannung U2. Tragen Sie die Werte in eine Tabelle ähnlich der Mustertabelle ein. UBE Abbildung 2 Mustertabelle Kombination Spannung U1 UE = 0V UE = 5V K1 U2 I1 U1 K2 U2 I1 U1 ... U2 I1 Laboraufgabe A1 Bauen Sie die Verstärkerschaltung mit den, in der Schaltung angegebenen Werten für R1 und R3 auf, stellen Sie den Widerstandswert des Potentiometer R2 auf den von Ihnen berechneten Wert. Stellen Sie die Betriebsspannung UE auf 10V ein, bei einem maximalen Strom von 50 mA und überprüfen Sie ob die Schaltung im Arbeitspunkt arbeitet (siehe Vorbereitung). Falls nicht, stellen Sie den Arbeitspunkt experimentell mit dem Potentiometer R2 auf den ausgewählten Arbeitspunkt ein. A2 Stellen Sie am Frequenzgenerator eine sinusförmige Ausgangsspannung von 20mV mit einer Frequenz von 5 kHz ein. Untersuchen Sie die Zeitverläufe der Spannungen zwischen den Knotenpunkten A und B, A und C, A und D und zwischen C und D. Diskutieren und dokumentieren Sie die Ergebnisse. A3 Welche Veränderung ist zu erwarten, wenn Sie am Frequenzgenerator zusätzlich eine Offsetspannung einstellen und was können Sie beobachten? Untersuchen Sie erneut die Zeitverläufe an den Knotenpunkten, wie Sie in Aufgabe A2 beschrieben und diskutieren Sie die Ergebnisse. UE B A4 Stellen Sie die Offsetspannung auf 0 Volt zurück (Offsetspannung am Frequenzgenerator ausschalten) und bestimmen Sie experimentell die Spannungsverstärkung der Schaltung aus den Spannungsamplituden an den Knotenpunkten A und D. Dokumentieren Sie die Spannungsverstärkung der Schaltung durch Oszilloskopbilder und benutzen Sie die CurorFunktion des Oszilloskops. UF fallende Flanke FF C UAH UA E UAL steigende Flanke SF LED-Seite Transistor-Seite A5 Vergrößern Sie nun schrittweise die Amplitude der Spannung am Knotenpunkt A und dokumentieren Sie für ausgewählte Fälle die Zeitverläufe an den Knotenpunkten A und D. Diskutieren Sie das Ergebnis ihrer Messungen. Laboraufgabe 3. Versuch: Optokoppler A1 Bauen Sie die LED-Seite der dargestellten Schaltung (Abbildung 4) auf. Messen Sie den Strom und die Spannungsabfälle auf der LED-Seite des Optokopplers für den Fall UE = 5V. Der Optokoppler bietet die Möglichkeit eine galvanische Trennung zwischen zwei elektrischen Stromkreisen zu realisieren. Im Bereich der Datenübertragung und Automatisierungstechnik ist der Optokoppler sehr verbreitet. Der Versuch soll die Möglichkeiten und Grenzen des Optokopplers demonstrieren. Vorbereitung Schauen Sie sich das Datenblatt des Optokopplers PC844 (siehe PC844.pdf) an. Ermitteln die Werte der Widerstände RV und RL (Abbildung 3) für eine Betriebsspannung von 5V, IF = 10 mA, UF = 1.2 V und IC = 10 mA. Abbildung 3 Abbildung 4 Abbildung 5 A2 Messen Sie dann den Strom und die Spannungsabfälle auf der Transistor-Seite für den Fall UE = 5V und UE = 0V. Welche Logikfunktion wird durch den Optokoppler realisiert? A3 Erzeugen Sie mit Hilfe des Frequenzgenerators einen Rechteckimpuls 0..5V (Offsetspannung von 2,5V nicht vergessen) und analysieren Sie die Spannungen UAL und UAH (siehe Abbildung 5) bei einer Frequenz von 500 Hz und einem Widerstand R2 von 360 Ω, 5.6 kΩ, 150 kΩ und 1MΩ. Führen sie nun die 4 Messungen durch und dokumentieren Sie die einzelne Messkurven mit Ozsilloskopbildern und erläutern Sie die Messwerte. A4 Bestimmen Sie Flankenanstiegszeit und die Signallaufzeit des Optokopplers bei einem Widerstand R2 von 5.6 kΩ und den Frequenzen von 5 Hz, 50 Hz, 500 Hz, 5 kHz und 50 kHz (x10 Funktion) und einem Widerstand R1 von 1,1 kΩ. Verwenden Sie zur Bestimmung der Flankenanstiegszeit und der Signallaufzeit die Cursor-Funktion des Oszilloskops. Wie verhalten sich die Flankenanstieg der Spannung UA bei den angegebenen Frequenzen? Begründen Sie ihre Meinung und dokumentieren Sie es durch ausgewählte Ozsilloskopbilder. 4. Versuch: Operationsverstärker als Nichtinvertierender Verstärker 5. Versuch: Operationsverstärker als Verstärker 2 Vorbereitung Vorbereitung Stellen Sie die Gleichungen zur Berechnung der Widerstände in der dargestellten Schaltungen (Abbildung 6) zusammen. Machen Sie sich mit den Datenblättern und den Anschlußbelegungen für die 2- und 4-fach Operationsverstärker TL072 und TL074 (siehe TL074.pdf) vertraut. Stellen Sie die Gleichungen zur Berechnung der Kapazität in der nebenstehenden Schaltung zusammen. Abbildung 7 Laboraufgabe Abbildung 6 Laboraufgabe A1 Berechnen Sie für die dargestellte Verstärkerschaltung (Abbildung 6) den notwendigen Widerstand für R4 um bei R3 = 110 Ω Verstärkungen von V = 2, 5, 20 und 50 zu realisieren. A2 Bauen Sie die Schaltung auf, verwenden Sie die in der Schaltung (Abbildung 6) angegebenen Widerständewerte. Stellen den Widerstand R4 auf den von ihnen berechneten Wert und untersuchen Sie Schaltung bei den in Aufgabe A1 verwendeten Verstärkungsfaktoren und den Eingangsspannungen UE = 0.1, 0.5 und 1 Volt. Die Eingangsspannung ist sinusförmig und hat eine Frequenz von f = 1kHz. Dokumentieren Sie die Zeitverläufe an den Punkten A und B der Schaltung durch Oszilloskopbilder und weisen Sie messtechnisch die Verstärkungsfaktoren durch die Verwendung der Cursor-Funktion nach. A1 Bauen Sie die Schaltung auf, verwenden Sie die Widerstands- und Kapazitätswerte aus der abgebildeten Schaltung. Messen Sie dazu die Spannungen an den Punkten A und B der Schaltung. Als Eingangssignal verwenden Sie eine sinusförmige Spannung von 0.5 V und Frequenzen von 50 Hz, 500 Hz und 5 kHz und einen Verstärkungsfaktor von 20. Dokumentieren Sie die Zeitverläufe an den Punkten E und B der Schaltung und weisen Sie messtechnisch die Verstärkungsfaktoren nach, verwenden Sie zur Darstellung der des Verstärkungsfaktors die Cursor-Funktion des Oszilloskops. Welche Beobachtung hinsichtlich des Nutzungsbereiches der Schaltung machen Sie? A3 Welche Beobachtung hinsichtlich des Nutzungsbereiches der Schaltung machen Sie, begründen Sie ihre Beobachtungen? A2 Welche Auswirkung hat eine Offsetspannung des Frequenzgenerators auf die dargestellte Schaltung? Untersuchen Sie die Schaltung als Wechselspannungsverstärkers für folgende Einstellungen: UE = 0.5V sinusförmige Wechselspannung ohne Offset, f = 0...5 kHz, V = 20 und UE = 0.5V sinusförmige Wechselspannung mit 0.5 Volt Offset, f = 0...5 kHz, V = 20. Dokumentieren Sie einzelne Zeitverläufe mittels Oszilloskopbilder. A4 Welche Auswirkung hat eine Offsetspannung des Frequenzgenerators auf die Schaltung, begründen Sie ihre Meinung? A3 Berechnen Sie die Grenzfrequenz der Schaltung bei den oben angegebenen Bauelementewerten (Abbildung 7) und dokumentieren Sie diesen Fall. A5 Untersuchen Sie die Schaltung als Wechselspannungsverstärker mit und ohne Offsetspannung für die folgende Einstellungen: UE = 0.5V sinusförmige Wechselspannung ohne Offset, f = 0...5 kHz, V = 20 und UE = 0.5V sinusförmige Wechselspannung mit 0.5 Volt Offset, f = 0...5 kHz, V = 20. Dokumentieren sie einzelne Zeitverläufe durch Oszilloskopbilder. A4 Weisen Sie messtechnisch mit ausgewählten Oszillogrammen die Hochpassfunktion der Eingangsbeschaltung nach. 6. Versuch: Operationsverstärker als Komparatoren ohne Hysterese 7. Versuch: Operationsverstärker als Komparator mit Hysterese Vorbereitung Vorbereitung Machen Sie sich mit der Funktion und der Berechnung der abgebildeten Komparatorschaltungen (Abbildung 8) vertraut. Die dargestellte Schaltung stellt einen Komparator mit Referenzspannung ohne Hysterese dar. 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 8 Abbildung 9 Abbildung 10 Laboraufgabe Für die Referenzspannung nutzen Sie die, in Versuch 6 (Abbildung 9) beschriebene Schaltung. A1 Bauen Sie die Schaltung (Abbildung 8) auf, verwenden Sie statt der Referenzspannungsquelle (Abbildung 8) die Ersatzschaltung (Abbildung 9). Untersuchen Sie für die aufgebaute Schaltungen 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? 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. 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 Potentiometer 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 Oszolloskopbildern. A4 Überlegen Sie, welche Auswirkungen ein sehr kleiner oder sehr großer Rückkoppelwiderstand (R3 und R4) auf die Schaltung hat. Begründen Sie Ihre Meinung. 8. Versuch: Operationsverstärker als DA-Wandler Mustertabelle Schalter A in Stellung SE1 SE2 In diesem Versuch ist der vielseitige Einsatz des Operationsverstärker zu betrachten. Der Operationsverstärker wird hier als Digital - Analog Wandler eingesetzt. 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 9. Schalter B in Stellung SE1 ... Schalter C in Stellung SE1 ... Schalter D in Stellung SE2 ... Ausgangsspannung U1 berechnet / gemessen ... ... ... ... Versuch: Operationsverstärker als AD-Wandler In diesem Versuch ist eine neue Einsatzmöglichkeit des Operationsverstärker zu betrachten. Der Operationsverstärker wird hier als Analog - Digital Wandler eingesetzt. 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. URefU E URefO A B Abbildung 11 untere Ref. -spannung SE1 C SE2 obere Ref. -spannung Laboraufgabe D Abbildung 12 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 sich die Spannung U1 in einem Bereich von –5V bzw. +10V einstellbar ist. A2 Berechnen Sie im voraus die Stufen der Ausgangsspannung, tragen Sie die Werte in eine Tabelle ein (ähnlich Mustertabelle). A3 Bauen Sie die Schaltung (Abbildung 7) auf, 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 und stellen Sie falls erforderlich die Ausgangsspannung U1 nach und dokumentieren Sie die Spannungswerte durch Cursor-Linien des Oszilloskops. Zur Darstellung des Ausgangssignals, invertieren Sie das Signal (siehe OsziHelp.pdf Einstellen des Signals) auf dem Oszilloskop und dokumentieren zwei Schalterkombinationen mittels Oszilloskopbildern. Erläutern Sie die Ergebnisse der Messung. A4 Dokumentieren Sie die Ausgangsspannung der Schaltung, für alle Schalterstellungen, durch Messung der Spannung mit den Multimeter (HP 34401A) und tragen Sie die Werte in die vorbereitete Tabelle ein. URefU Abbildung 13 2x TL072 Laboraufgabe A1 In welcher Grundschaltung werden die Operationsverstärker eingesetzt? A2 Berechnen Sie die Spannungen an den Punkten A, B, C und D der Schaltung, bei einer oberen Referenzspannung URefO von 10V und einer unteren Referenzspannung URefU von -5V. Überlegen Sie, welche Auswirkung eine Veränderung der Referenzspannung von URefO = 5V und URefU von 4V auf das Verhalten der LED’s hat , welche Schlussfolgerungen sind aus dieser Überlegung zu ziehen? A3 Bauen Sie die Schaltung (Abbildung 13) auf, verwenden Sie zwei TL072, als obere Referenzspannung stellen Sie 5V und als untere Referenzspannung -5V ein. Der Funktionsgenerator liefert eine dreieckförmigen Spannung von 2V bei einer Frequenz von 0.1 Hz, beschreiben Sie das Ergebnis. A5 Nun verändern Sie die obere Referenzspannung auf +1V und die untere Referenzspannung auf -1V, was stellen Sie nun fest? Begründen und erläutern Sie das Ergebnis.
