3. Laboreinheit - Hardwarepraktikum Blockkurs SS 2005
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3. Laboreinheit - Hardwarepraktikum Blockkurs SS 2005 1. Versuch: Operationsverstärker als Nichtinvertierender Verstärker Vorbereitung – – Operationsverstärker (insbesondere Anschluss der Betriebsspannung) Verstärker Abbildung 1 Laboraufgabe 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. Falls die Berechnung nicht das gewünschte Ergebnis liefert, so stellen Sie das Potentiometer nach. A2 Bauen Sie die Schaltung auf und verwenden Sie die in der Schaltung angegebenen Widerstandswerte. Stellen Sie R4 auf den berechneten Wert ein und untersuchen Sie die Funktion der Schaltung messtechnisch. Dokumentieren Sie (auf Basis einer Simulation) die Zeitverläufe der Spannungen an den Knotenpunkten A und B bei einer Wechsel-, einer Mischund 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? 1/7 3. Laboreinheit - Hardwarepraktikum Blockkurs SS 2005 2. Versuch: Operationsverstärker als Wechselspannungsverstärker Vorbereitung – – Hochpass Wechselspannungsverstärker Abbildung 2 Laboraufgabe A1 Berechnen Sie die Grenzfrequenz der Schaltung für die angegebenen Bauelementewerte aus der 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 und die Frequenz entsprechend zu wählen. 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 Oszillographen. 2/7 3. Laboreinheit - Hardwarepraktikum Blockkurs SS 2005 3. Versuch: Operationsverstärker als Komparator ohne Hysterese Vorbereitung – Komparator Abbildung 3 Abbildung 4 Laboraufgabe A1 Bauen Sie die Schaltung 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 (auf Basis einer Simulation) 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 positive und/oder negative Offsetspannung des Frequenzgenerators auf das Schaltverhalten des Operationsverstärkers? Untersuchen Sie für zwei ausgewählte Fälle das Verhalten des Operationsverstärkers und dokumentieren Sie diese Fälle auf Basis einer Simulation. 3/7 3. Laboreinheit - Hardwarepraktikum Blockkurs SS 2005 4. Versuch: Operationsverstärker als Komparator mit Hysterese Vorbereitung – Hysterese Abbildung 5 Für die Referenzspannung nutzen Sie die Schaltung aus Abbildung 4. Laboraufgabe A1 Berechnen Sie für die Schaltung die obere und untere Hysteresespannung bei den angegebenen Widerstandswerten und einer Sättigungsspannung von +/- 15V. A2 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. 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 erörtern Sie die Ergebnisse. A3 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 Cursor-Messung. Ermitteln Sie die die obere und untere Hysteresespannung bei den verschiedenen Widerstandswerten und erörtern Sie die Ergebnisse. Überlegen Sie dabei, welche Auswirkungen ein sehr kleiner oder sehr großer Rückkoppelwiderstand (R3 und R4) auf die Schaltung hat. Begründen Sie Ihre Meinung. A4 Welche Auswirkung hat eine Offsetspannung des Frequenzgenerators auf die Schaltung? Untersuchen Sie zwei selbstständig ausgewählte Fälle (Spannungswerte und Offsetspannung) und dokumentieren Sie diese mittels Oszillograph. 4/7 3. Laboreinheit - Hardwarepraktikum Blockkurs SS 2005 5. Versuch: Operationsverstärker als DA-Wandler Vorbereitung – – Digital-Analog-Wandler (invertierender) Addierer URefO URefU Abbildung 6 untere Referenzspannung SE1 SE2 obere Referenzspannung Abbildung 7 Laboraufgabe A1 Berechnen Sie die obere Referenzspannung URef1 am Punkt A und untere Referenzspannung URef2 am Punkt B für die Schaltung (Abbildung 7), 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 die Stufen der Ausgangsspannung, tragen Sie die Werte in die Tabelle ein. Schalter A in Stellung Schalter B in Stellung Schalter C in Stellung Schalter D in Stellung SE1 SE1 SE1 SE1 SE1 SE1 SE1 SE1 SE2 SE2 SE2 SE2 SE2 SE2 SE2 SE2 SE1 SE1 SE1 SE1 SE2 SE2 SE2 SE2 SE1 SE1 SE1 SE1 SE2 SE2 SE2 SE2 SE1 SE1 SE2 SE2 SE1 SE1 SE2 SE2 SE1 SE1 SE2 SE2 SE1 SE1 SE2 SE2 SE1 SE2 SE1 SE2 SE1 SE2 SE1 SE2 SE1 SE2 SE1 SE2 SE1 SE2 SE1 SE2 U1/V berechnet simuliert 5/7 3. Laboreinheit - Hardwarepraktikum Blockkurs SS 2005 5. Versuch: Operationsverstärker als DA-Wandler - Fortsetzung 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. A4 Berechnen sie die Einstellung der Potentiometer, um die obere und untere Referenzspannung zu realisieren. 6/7 3. Laboreinheit - Hardwarepraktikum Blockkurs SS 2005 6. Versuch: Operationsverstärker als AD Wandler Vorbereitung – Analog-Digital-Wandler (Parallel-Umsetzer) 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. 7/7
