ws05labast1a - antriebstechnik.fh

FH Stralsund / Labor Analoge Schaltungen
Namen:
Versuch AST1
____________________________________
Gruppe:
Bewertung:
____________________________________
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Datum:
Versuch AST 1
RC-Filter und Oszillatoren
1.
Zielstellung des Versuches
Im folgenden Versuch lernen Sie Schaltungsvarianten zur Realisierung
von Filtern und Oszillatoren kennen und machen sich mit den
Eigenschaften dieser wichtigen Schaltungsfamilie vertraut.
Bauelemente und Meßtechnik:
3 mH, 10 mH, 30 mH; 1 uF, 2,2 uF; 2x 10nF;
2x 33k, 68k, 1k, 3,3k, 4,7k, 10k, 15k, Potentiometer 47 k,
Vorbereitungs- und Versuchsaufgaben:
V
V
V
LC-Oszillator
Bandpaß mit Mehrfachgegenkopplung
Sallen-Key-Filter (Tiefpaß 2. Ordnung) mit variabler Anfachung
RC-Funktionsgenerator mit Pulsbreitensteuerung
in Vorbereitung:
(5) Oszillator mit BP + Komparator
(6) Wien-Brücken-Oszillator
(7) Universalfilter MAX 274
(8) SC-Filter
V - Voraussetzung für die Versuchsdurchführung ist die Lösung der Vorbereitungsaufgaben !
Nebenrechnungen bitte beifügen !
Die Aufgabenparameter 1 gelten für die Gruppen 1, 5, 9, 13 usf.
2
2, 6, 10, 14 usf.
Literatur:
Tietze, Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik, 12. Auflage, Springer Verlag 2002.
Hinweise / Sicherheitshinweise




Bei statischen Messungen messen Sie die Ein- und Ausgangsspannung jeweils mit den
Multimetern im DC-Betrieb, bei dynamischen Messungen bilden Sie den Zeitvorgang
mit dem Oszilloskop ab.
Nutzen Sie die numerischen Funktionen des HP-Oszilloskops insbesondere zur
Phasenwinkelmessung !
Sie arbeiten ausschließlich mit Kleinspannungen und nie mit Netzspannung !
Im Notfall schalten Sie mit dem Sicherheitstaster am Arbeitsplatz das gesamte Labor
stromlos!
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1 LC-Oszillator
Versuch AST1
Schaltung
1
2
3
4
mit
V1 LC-Oszillator
L1
3 mH
10 mH
30 mH
13 mH
C1
3,2 uF
2,2 uF
1 uF
1 uF
L
3 mH
10 mH
30 mH
RLReihe
6 Ohm
14,2
41,4
Vorbereitungsaufgaben
V1.1
Bestimmen Sie die Resonanzfrequenz aus den Werten des verlustfreien
LC-Kreises !
fo =
V1.2
Rechnen Sie die vorliegende verlustbehaftete Induktivität in eine
Parallelersatzschaltung von verlustfreier Induktivität und (parallel
geschaltetem) ohmschem Widerstand (vgl. Tabelle) bei der oben
berechneten Resonanzfrequenz um !
Lpers =
Rpers =
V1.3
Bestimmen Sie mit dem Ergebnis von 1.2 die notwendige Verstärkung
der OPV-Stufe !
Bei welcher Frequenz schwingt der Oszillator ?
vmin =
A1 LC-Oszillator
fres =
Versuchsaufgaben und Auswertung
A1.1
Bestimmen Sie die Resonanzfrequenz des LC-Kreises!
Stellen Sie dazu mit dem Potentiometer P3 / RP1 eine möglichst
klirrarme Sinusschwingung ein!
Messen Sie die verwendeten Bauelemente des Parallelschwingkreises
aus !
fres =
L=
RL =
C=
A1.2
Verändern Sie die Schwingfrequenz durch Parallelschaltung eines
Kondensators, den Sie ebenfalls vorher ausgemessen haben !
Cpar =
A1.3
P3 / RP1 bleibt in der Einstellung von A1.1 und wird nicht verändert!
Trennen Sie die rückgekoppelte Schaltung auf, indem Sie den Funktionsgenerator auf den nicht invertierenden OPV-Eingang schalten !
Bestimmen Sie Betrag und Phase der Verstärkung des Mitkopplungszweiges und zeichnen Sie das zugehörige Zeigerdiagramm !
Frequenz
Betrag v =
0,5 fres1
0,9 fres1
1,0 fres1
1,1 fres1
fres2 =
Zeigerbild :
1,5 fres1
2 fres1
Phase  =
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Oszi Ua Ue
Abbildung zu A 1.3
Hinweis:
Versuch AST1
Generator
rot = Auftrennung
Für eine stabilere Funktion der Schaltung R3 mit Dekadenwiderstand
realisieren (Ggf. anderen OPV auf dem Versuchsbrett nutzen und R2 und R3
tauschen).
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2
Bandpass
Versuch AST1
Schaltung
C1=C2
3,3 nF
13,3 nF
3,3 nF
13,3 nF
1
2
3
4
3,3 nF on board !
V2
V2.1
Bandpass
Vorbereitungsaufgaben
Bestimmen Sie die Übertragungsfunktion der Schaltung und
daraus Resonanzfrequenz, Resonanzverstärkung,
Bandbreite und Güte der Bandpaßschaltung für die beiden
Dimensionierungen
R 31 = 4,7 kOhm bzw. R32 = 1 kOhm!
A2
A2.1
Bandpass
R32
fres =
vmax =
b =
Q =
Versuchsaufgaben und Auswertung
Bestimmen Sie Resonanzfrequenz, Resonanzverstärkung,
Bandbreite und Güte der Bandpaßschaltung für die beiden
Dimensionierungen.
R 31 = 4,7 kOhm und R32 = 1 kOhm!
A2.2
R31
R31
R32
fres =
vmax =
b =
Q =
Geben Sie ein Rechtecksignal von 1 V auf den Eingang und oszillographieren Sie die
Ausgangsspannung bei verschiedenen Frequenzen ! Skizzieren Sie die Kurvenform !
Frequenz
0,1 fres1
0,5 fres1
1,0 fres1
5 fres1
Ua –
Skizze
A2.3
Nehmen Sie danach den logarithmischen Amplitudenfrequenzgang (Sinussignale !) auf und
stellen sie ihn dar !
Frequenz
Betrag v =
0,1 fres1
0,5 fres1
1,0 fres1
1,5 fres1
10 fres1
100 fres1
Phase  =
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3
Sallen-Key-Tiefpass
Versuch AST1
Schaltung
Bessel
Tscheb.
Q = 15
instabil
R3
3,3 k
10 k
20 k
Für Q = 15
Dekadenwiderstand
benutzen !
V3
Sallen-Key-Tiefpass
V3.1
Vorbereitungsaufgaben
Bestimmen Sie die exakten Verstärkungswerte der Anfachung und die zugehörigen R 3-Werte
für die angegebenen Filterdimensionierungen ! Vgl. auch Lösungen AST-Übungsaufgaben !
Filter
Krit. D.
Bessel
Butterw.
Tscheb.
3 dB
Sallen-Key-Tiefpass
A3.1
instabil
R3 = (2 –
1/Qp)*R4
V =
R3=
A3
Q = 15
Versuchsaufgaben und Auswertung
Bestimmen Sie für die ausgewählten Filter die DC-Verstärkung, hierauf bezogen die obere
Grenzfrequenz und die Resonanzüberhöhung vmax !
Hinweis: Dekadenwiderstand einsetzen !
Filter
V DC =
Bessel
Tscheb. 3 dB
Q = 15
Vmax =
fmax =
fgo =
A3.2
Untersuchen Sie das Rechteckverhalten der verschiedenen Filter, indem Sie nacheinander
Rechtecksignale und Sinussignale variabler Frequenz auf die Filter geben !
Auswertung:
Bei kleiner Frquenz sind C4, C5 „offen“. Damit liegt die Schaltung als normaler nichtinvertierender
Verstärker vor. Die Verstärkung für diese kleinen Frequenzen (f gegen 0) ergibt sich aus V = 1 +
R3/R4. Bei R3 = 0 Ohm ergibt sich die Schaltung eines Impedanzwandlers mit der Verstärkung V = 1.
Bei hohen Frequenzen liegt der P-Eingang auf Masse (Null). Wegen DU = 0V liegt damit auch der NEingang auf (virtuell) Masse. Somit ist die Ausgangsspannung 0V.
Güte: Q = 1/(2 – R3/R4); Q = fr/(fgo – fgu) mit fr = Resonanzfrequenz
Dämpfung: d = 1/Q
Verstärkung: V = 1 + d; V = 1 + (2 – R3/R4) = 3 – R3/R4
Grenzfrequenz: fgo = 1/(2**r1*C4)
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Versuch AST1
Alles unter der Annahme: R1 = R2 und C4 = C5
4
RC-Oszillator
Schaltung
A4
RC-Oszillator
Versuchsaufgaben und Auswertung
A 4.1
Oszillographieren Sie die Kondensatorspannung und die Ausgangsspannung bei folgenden
Modifikationen ( R3-Eingang offen) :
Kondensatorspannung
Ausgangsspannung
R1 = 10k; R2 = 1k; keine Diode:
R1 = 1k; R2 = 10k; keine Diode:
R1 = 10k; R2 = 1k; mit Diode:
R1 = 1k; R2 = 10k; mit Diode:
A 4.2
Legen Sie an R3 eine Spannung Ue an und bestimmen Sie mit der Mittelwertfunktion. des
Oszilloskops (avg) den Mittelwert des pulsbreitenmodulierten Ausgangssignals !
Danach bitte zur Diskussion beim Betreuer melden !
R1 = 1k; R2 = 10k; keine Diode:
Ue = 0V
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Versuch AST1
UaDC =
(Mittelwert)
fUa =
Adaptation eines Interferometers
zur Messung der Dicke der
menschlichen Hornhaut
Adaptation
Analoge Signalverarbeitung
Demodulationsfilter
Tiefpaß
Der Tiefpaß dient dazu, die hochfrequenten Anteile, die durch die Hüllkurvendemodulation entstanden sind,
abzuschneiden und das demodulierte Signal zu glätten.
Am geeignetsten erwies sich hierzu ein Sallen-Key-Tiefpaß in Brücken-T-Rückkopplung.
Versuche mit Simulationen anderer aktiver Filter benötigten, wie beim Bandpaß, für das selbe
Ergebnis einen erheblichen Mehraufwand an Bauteilen.
Abbildung 5-47: Tiefpaß aus [HER84]
Abbildung 5-47 zeigt einen Sallen-Key-Tiefpaß in Brücken-T-Rückkopplung mit der
Übertragungsfunktion
( 5-16 ),
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Versuch AST1
mit der komplexen Frequenz
( 5-2 ),
mit  als Dämpfungsfaktor und  als Kreisfrequenz.
Die Gleichsignalverstärkung ergibt mit Hilfe der Bauteilwerte R1 bis R4, C1 und C2
( 5-17 ),
die Resonanzfrequenz
( 5-18 )
und der Kehrwert der Güte
( 5-19 ).
Daraus sind die Elemente bei Gütewerten von Q < 5 folgendermaßen zu berechnen:
( 5-20 ),
( 5-21 ),
( 5-22) und
( 5-23 ).
Die Grenzfrequenz  p ist über den Widerstand R1 und die Güte Qp über die Kapazität C1 genauer einstellbar.
Bei höheren Gütewerten von Q < 20 gelten die Gleichungen:
( 5-24 ),
( 5-25 ),
( 5-26) und
( 5-27 ).
Hier sind die Grenzfrequenz  p und die Güte Qp über die Widerstände R1 und R4 änderbar.
Als Eingangsparameter zur Berechnung ergibt sich aus dem Kehrwert der Bitdauer die
Grenzfrequenz fp = 50 Hz. Bei einem gewünschten Gütewert von Qp  1 und unter
Berücksichtigung der E12er-Reihe werden aus den Gleichungen ( 5-20 ) bis ( 5-23 ) die
folgende Bauteilwerte errechnet:
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Versuch AST1
Tabelle 5-8: Bauteilwerte des Tiefpaßfilters
Das folgende Schaltbild zeigt die realisierte Schaltung:
Abbildung 5-48: PSPICE-Simulation des Tiefpaßfilters
Mit der folgenden Übertragungsfunktion:
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Versuch AST1
Abbildung 5-49: PSPICE-Simulation der Übertragungskennlinie des Tiefpaßfilters
Die Simulation zeigt folgendes Ergebnis:
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Versuch AST1
Abbildung 5-50: PSPICE-Simulation des gefilterten Signals
Im Vergleich dazu zeigt die folgende Abbildung das Ergebnis des realen
Demodulationsfilters:
Abbildung 5-51: reales gefiltertes Signal
Für Anmerkungen oder Änderungen senden Sie ein e-mail an [email protected] 980403
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