Dokumentation und Auswertung

Laboratory
TGM Abteilung
Elektronik und
Technische Informatik
Kaiblinger, Poppenberger, Sulzer, Zöhrer
Dokumentation und Auswertung
Labor
Jahrgang
3BHEL
Übung
Übungsbetreuer
Prof. Zorn
Übung
am 28.02.2017
Erstellt
am 04.03.2017
von Bernhard Sulzer
Übungsteilnehmer
Gruppe 1
2017-03-04
Kaiblinger, Poppenberger, Sulzer, Zöhrer
17. Operationsverstärker2
Saal
H1435
Inhalt
Seite
1. Vorausgesetztes Wissen
2. Aufgaben
2.1.Messgleichrichter - Einweg
2.1.1.Aufgabenstellung
2.1.2.Dimensionierung
2.1.3.Messchaltunng
2.1.4.Aufbau
2.1.5.Messung
2.1.6.Umpolen der Dioden
2.1.7.Simulation
2.1.8.Auswertung
2.2.Künstlicher Versorgungsmittelpunkt
2.2.1.Aufbau
2.3.Messgleichrichter - Zweiweggleichrichter
2.3.1.Dimensionierung
2.3.2.Messschaltung
2.3.3.Aufbau
2.3.4.Messung
2.3.5.Simulation
2.3.6.Auswertung
3. Liste verwendeter Geräte
Beurteilung
Vollständigkeit (Angabe, Doku, Labornotizen, verwendete Geräte)
Schaltbilder, Messschaltungen (inkl. Dimensionierung)
Messergebnisse, Tabellen
Grafische Darstellung (Diagramme, Oszillogramme)
Auswertungen (Interpretation, Erkenntnisse)
Simulationen (Schaltungen, Vollständigkeit)
Vergleich Messergebnisse – Simulationen
Form (Gliederung, Übersichtlichkeit, Stil)
Summe
bis 49%  5 bis 63%  4
02-03
04-19
04-14
04
04
04
05
05-07
07-08
09-13
14
15
15
15
15
15
16
17
18
19
19
(2)
(2)
(2)
(2)
(2)
(2)
(2)
(2)
(
bis 75%  3
bis 87%  2
ab 88%  1
)
%
Note:
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Vorausgesetztes Wissen
1.1 Grundfunktion eines Operationsverstärkers
Ein Operationsverstärker ist ein
Verstärker mit einer annähernd
unendlich hohen Verstärkung der
Differenz zwischen ihrem
positiven und negativen Eingang.
Invertierender Verstärker
Der invertierende Verstärker ist
eine Grundschaltung des
Operationsverstärkers. Hierbei
wird ein Teil der Ausgangsspannung
Ua = - Ue • ( R2 / R1 )
über den Widerstand R2 auf den negativen Eingang des Operationsverstärkers zurückgeführt. Die
Eingangsspannung Ue liegt über den Widerstand R 1 am negativen Eingang des
Operationsverstärkers an. Der Punkt S wird als virtueller Nullpunkt bezeichnet. Er liegt bezogen auf
das Massepotential auf 0V.
1.2 Funktion der unten stehenden Schaltung
Die folgende Schaltung ist ein aktiver Messgleichrichter. Sie ist dafür gedacht bei Signalen (z.B.:
ein Sinus) den negativen Teil der Schwingung wegschneiden und Anschließend das Signal zu
invertieren. All dies unterliegt der Bedingung, dass der Ausgang unbelastet ist.
Es gibt zwei möglich Zustände in denen die Schaltung betrieben werden kann.
1. Die Eingangsspannung ist negativ:
In diesem Fall ist die Spannung am Ausgang des OPVs positiv, da es sich um die
Invertierende Grundschaltung handelt. Allerdings kann die Ausgangsspannung des OPVs
nicht 0.7 V übersteigen, da die Diode D1 mit der Kathode auf virtueller Masse liegt und mit
der Anode am Ausgang des OPVs. Die Ausgangsspannung liegt somit auf 0V da ein
Spannungsabfall über D2 die Ausgangsspannungs des OPVs um 0.7 V senkt.
2. Die Eingangsspannung ist positiv:
Jetzt wird die Diode D2 in Sperrrichtung betrieben und ist somit Vernachlässigbar. Da die
Gegenkopplung vom Ausgang genommen wird, regelt der OPV die Ausgangsspannung
genau auf die Inverse von der Eingangsspannung.
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Die Schaltung ist dafür geeignet
Spannungen > 0.7V gleichzurichten.
Das funktioniert, weil der OPV den
Spannungsabfall an den
Gleichrichterdioden kompensiert.
Der OPV hält den Spannungsabfall an
beiden R gleich groß, womit der
Spannungsabfall an den Dioden keinen
Effekt mehr auf das Ausgangssignal hat.
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2 Aufgaben
2.1 Messgleichrichter - Einweg
2.1.1 Aufgabenstellung
Es sollte eine Gleichrichterschaltung mittels eines OPVs aufgebaut werden. Mit Hilfe dieser
Schaltung wurden diverse Messungen durchgeführt werden.
2.1.2 Dimensionierung
Da der Innenwiderstand des Frequenzgenerators 50Ω groß ist, wählten wir den wert 5kΩ für die
Widerstände der äuseren schaltung. Diesen Wert wählten wir um den Spannungsabfall im
Frequenzgenerator möglichst gering zu halten.
2.1.3 Messschaltung
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2.1.4 Aufbau
2.1.6 Messung
Im ersten Schritt haben wir den Spannungsverlauf an den Knoten gemessen.
Das Resultat der Messung war, dass das Eingangssignal einweg gleichgerichtet und invertiert war.
Weiters haben wir die spannung weiter erhöht. Dies haben wir so lange gemacht bis die
Ausgangsspannung nicht mehr den perfekten verlauf hatte (übersteuerung). Dies ist ab einer
eingangsspannung von >3V eingetreten.
In der Messung der Ausgangsspannung des OPVs konnten wir einen Offset erkennen.
Dieser konnte auf die Diode (D2) zurückgeführt werden, da der gemessene Offset an dieser Diode
abfällt.
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Messung am Ausgang der Schaltung:
Messung am Ausgang des OPVs
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Messung mit einer Amplitude von 3V:
2.1.7 Umpolung der Dioden
Im nächsten Schritt wurden die Dioden umgepolt und ebenfalls die selben messungen wie vorhin
durchgeführt. Zwei wesentliche veränderungen sind mir dabei aufgefallen.
1. die Ausgangsspannung liegt nun im positiven bereich.
2. die Spannung bei der die Schaltung übersteuert wird wurde kleiner, sie lag bei 2 V
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Messung mit einer Amplitude von 2V:
Messung mit einer Amplitude von 2.5V:
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2.1.8 Simulation
Messung Gleichrichtung (Bild 1):
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Messung am OPV-Ausgang (Bild 2):
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Messung Gleichrichtung umgepolte Dioden (Bild 3):
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Abschneiden des Signals (Bild 4):
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Leitungs -widerstände, -kapazitäten, -induktivitäten (Bild 5):
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2.1.8 Auswertung
Bild 1:
Die Gleichrichtung sieht genauso aus wie erwartet. Das Signal ist genau halbiert und der
übriggebliebene Teil befindet sich im negativen Bereich. Die Abflachung des Signals beginnt bei der
Simulation erst bei ungefähr 8Vpeak, nicht wie in der Messung bei 3V. Siehe Bild 4.
Bild 2:
Der Anteil der Spannung im positiven Bereich ist etwas größer als bei der realen Messung.
Sonst sieht alles genauso aus wie erwartet. Die Diode nach dem Ausgang des OPVs filtert den
restlichen positiven Anteil.
Bild 3:
Wie erwartet wird nun die Spannung des negativen Spannungsbereiches gefiltert. Das Signal ist
sonst genau so schön wie die Simulation der nicht umgepolten Schaltung.
Bild 4:
Die Abflachung beginnt erst bei 8V, nicht so wie bei der Messung bei 3V. Das kann Beispielsweise
von den Leitungskapazitäten kommen, die das Signal stören.
Bild 5:
Diese Simulation beinhaltet alle Leitungswiderstände, Kapazitäten und Induktivitäten die sich in
einem Draht befinden der 10cm lang ist. (Informationen über Leitungswiderstände und den Rest
findet man unter dem Arbeitsauftrag → Spannungsregler2)
Die Gleichrichtung funktioniert nicht mehr wie gewünscht. Es bildet sich eine Sinuskurve im
negativen Bereich, die über ein Maximum verfügt, dass die Größe des Minimums des Eingangs hat,
jedoch ist die obere Seite des Sinus “eingedellt”. Außerdem ist die Ausgangsspannung um
ungefähr 3V nach unten verschoben.
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2.2 Künstlicher Versorgungsmittelpunkt
Die Schaltung wurde aufgebaut, jedoch konnte aus zeitlichen gründen keine Messungen mehr
durchgeführt werden.
Aufbau:
2.3 Messgleichrichter - Zweiweggleichrichter
2.3.1 Dimensionierung
Der Wert für R1 wurde von der vorherigen Dimensionierung übernommen. Der Widerstand R2
wurde mit Hilfe des Datenblattes dimensioniert.
Für R1 wählten wir 5k
Für R2 wählten wir 10k
2.3.2 Messschaltung:
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2.3.4 Aufbau:
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2.3.5 Messung
In der Messung stellten wir die Amplitude des Eingangssignals auf 400mV und erhöhten die
Frequenz von dieser. Durch diese Messung sollten wir die Frequenz ermitteln bei der die
Ausgangsspannung noch keinen Einbruch hat.
Bei einem Eingangssignal von 50kHz sind die Einbrüche deutlich zu erkennen.
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2.3.6 Simulation
Messung von 200mV bei 50kHz (Bild 1):
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Bild 1:
Das Signal sieht nicht optimal aus. Die Dioden schalten zu langsam und die Spannungsteigungen
werden alle zwei Male geschnitten.
2.3.7 Auswertung
In der Simulation kann man gut erkennen, dass die Ausgangsspannung einen Einbruch aufweist.
Das Ergebnis der Simulation stimmt somit mit der Messung überein.
4 Liste verwendeter Geräte
Typ
Hersteller
Modellnummer
Seriennummer
Function Generator
Rigol
DG1022
DG1D141301307
Digital Oscilloscope
Tektronix
TDS 210
B013273
Lab DC Powersupply
Gwinstek
GPS-3303
EM846127
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