Aktiver Bandpass - Carl-Engler

Physikalisches Praktikum
Laborversuch:
1
Carl-Engler-Schule Karlsruhe
BS, BK, FS
Aktiver Bandpass mit OPV
Grundlagen
Aktive Filterschaltungen enthalten einen Verstärker (z.B. Operationsverstärker OPV).
Dadurch lässt sich der Ausgang vom Eingang entkoppeln, die Schaltung ist nicht mehr von
der Belastung abhängig. Es können mehrere Filterstufen kombiniert werden. Der
Verstärkungsfaktor ist durch die Bauteileauswahl veränderbar.
Bei einem Bandpass wird der Teil des Signals durchgelassen, der in einem bestimmten
Frequenzbereich, dem Durchlassbereich, liegt. Kleinere Frequenzen und größere
Frequenzen werden unterdrückt (Sperrbereiche). Bei der oberen und der unteren
Grenzfrequenz beträgt die Verstärkung noch 70.7% der Maximalverstärkung. Die
Grenzfrequenzen legen die Bandbreite fest. Bei gaußförmiger Durchlasskurve wird
manchmal auch die Breite bei halber Maximalhöhe (FWHM: Full Width of Half Maximum)
angegeben.
Mit einem Bandpass lassen sich z.B. Nutzsignale von Störsignalen trennen. Bei
fotometrischen und spektroskopischen Geräten wird manchmal der Lichtstrahl durch ein
Flügelrad (Chopper) mit einer bestimmten Frequenz (z.B. 31 Hz) zerhackt. Ein Bandfilter
verstärkt nur Anteile dieser Frequenz. Störungen, die z.B. durch Streulicht aus
netzbetriebenen Lampen stammen (50Hz, 100 Hz) werden nicht verstärkt.
2
Aufgaben
2.1
Aufbau der Schaltung
Bauen Sie die Schaltung nach dem vorgegebenen Schaltplan auf. Die Bauteile sind:
Operationsverstärker LM 741
Widerstand R1 = 680 Ω
Widerstand R2 = 6,8 kΩ
Widerstand R3 = 2,2 kΩ
2 Kondensatoren C = 0,1 µF
2.2
Einstellung der Messanordnung und Funktionsprüfung
Schließen Sie an den Eingang des aktiven Bandpasses den Funktionsgenerator an (Sinus)
und stellen Sie eine Spannung von 1 Vss ein. Führen Sie eine Funktionsprüfung durch,
indem Sie die Frequenz über einen Bereich von 100 Hz bis mindestens 2000 Hz grob
variieren und die Ausgangsspannung des Bandpasses beobachten. Ein deutliches
Verstärkungsmaximum (Resonanz) sollte beobachtbar sein.
2.3
Amplituden-Frequenzgang
Nehmen Sie den Amplituden-Frequenzgang des aktiven Bandpasses über den oben
genannten Frequenzbereich auf. Der Frequenzbereich um die Resonanzfrequenz ist durch
Zusatzmessungen genauer zu erfassen.
Stellen Sie den Amplituden-Frequenzgang mit doppelt-logarithmischer Skalierung grafisch
dar. Tragen Sie dazu über der Frequenz die Verstärkung v = UA/UE auf.
Skalieren Sie die Achse der Verstärkung (Ordinate) zusätzlich mit der Dämpfung a in dB
(Dezibel), die sich nach folgender Formel berechnen lässt:
a = - 20*log(UA/UE)
bandpass.odt
Geßler / Müller
Mai 2011
(log: dekadischer Logarithmus)
www.ces.karlsruhe.de/culm/
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Physikalisches Praktikum
2.4
Carl-Engler-Schule Karlsruhe
BS, BK, FS
Kenngrößen
Bestimmen Sie aus dem Diagramm:
a) die Resonanzfrequenz
b) die maximale Verstärkung und die dazugehörige Dämpfung a
c) die Bandbreite (Frequenzintervall mit mindestens halber Maximalhöhe)
d) die Halbwertsbreite
2.5
Verhalten bei Rechteck-Eingangssignal
Untersuchen Sie für den Bandpass, wie die Kurvenform des Eingangssignals verzerrt wird.
Wählen Sie dazu Rechteck-Signale. Die Frequenzen sollten unter, zwischen und über den
Grenzfrequenzen liegen. Skizzieren und kommentieren Sie die Signalformen.
3
Hinweise und Links
OPV mit bipolarer Versorgung
15V
15V
+
+US
+
-
Schaltungsmasse
-US
3.1.1
bandpass.odt
Geßler / Müller
Mai 2011
www.ces.karlsruhe.de/culm/
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