uftr'u,-t+u aü 1 Allgemeines Grundlagen-Praktikum FH Gießen-Friedberg Spannungs- Frequenzumsetzer mit Operationsverstärkern A,U a = _U. Lt RC Gt.

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1 Spannungs- Frequenzumsetzer mit Seite 1 / 6 1 Allgemeines In den Versuchsreihen dieses Laborversuches soll ein Spannungs-Frequenz-Umsetzer (U-fUmsetzer) mit Operationsverstdrkern schrittweise entwickelt und untersucht werden. Hierzu ist es erforderlich, mit einem Operationsverstärker ein zeitabhängiges Signal zu erzeugen, welches periodisch umgepolt wird. Dazu eignet sich als Grundelement ein Intesrator. Abb. I.I : Schaltung des Integrators De Übertragungsfunktion der Schaltung nach Abb. l.l lautet -l uftr'u,-t+u aü Gl. l.l Betrachtet man nur die zeitlichen Anderungen, so erhdlt man aus Gl. LI A,U a = _U. Lt RC Gt. t_2 Der mechanische Umschalter in Abb. 1.1 kann durch zwei integrierte digitale Analogschalter ersetzt werden, welche abwechselndie positive oder negative Spannung U. an den Integrator schalten (siehe Anhang). also eine lineare Anderung der Ausgangsspannung, abhängig von der Höhe und Polaritat der Eingangsspannung. Die Gleichung beschreibt eine Rampenfunktion. Wechselt der Umschalter periodisch seine Stellung, so wird die Rampenfunktion ebenfalls periodisch die Richtung wechseln. Man erhält dann eine Dreiecksfunktion. Der Analogschalter ist geschlossen, wenn seine Steuerspannung {/cont-r hohes Potential führt, andernfalls ist er geöffnet. Besonders gut geeignet sind CMOS Bausteine, da sie positive und negative Spannungen durchschalten können. Da das Umschalten des Integrators periodisch erfolgen soll, werden die Schalter zunächst um einen Schmin- Trigger erweitert.

2 FH Gießen-Friedbero Spannungs- Frequenzumsetzer mit Seite 216 Abb. 1.2: Schaltung des invertierenden und nichtinvertierenden Schmitt-Triggers Sobald ein beliebiger Eingangsspannungsverlauf u" die obere Schwellenspannung Us überschreitet, füllt die Spannung ra des invertierenden Schmitt-Triggers von der oberen Sättigungsspannnung fjo,^u*- beschleunigt durch die Mitkopplung - auf die untere Sättigungsspannung Ue..;n äb. Wird die untere Schwellenspannung unterschritten, schaltet ru wieder auf [/n,,o^ zurück. Beim nichtinvertierenden Schmitt-Trigger verh2ilt sich die Ausgangsspannung bei gleichen Eingangsbedingungen umgekehrt. Durchläuft die Eingangsspannung die Schwellenspannungen periodisch, beispielsweise durch eine Dreieckspannung, so kippt auch die Ausgangsspannung periodisch um. 2 Aufgabenstellungen 2.1 Arbeiten vor dem Versuchstermin Vor dem Versuchstermin sind folgende Aufgaben zu bearbeiten: l) Die Schaltung nach Abb. 2-l enthält einen Transistor, der den mechanischen Schalter ersetzt. Er wird hier als ideal schaltend angenommen und kann daher vernachlässigt werden. Zeigen Sie, a) dass für den geöffneten Schalter gilt: LUa = Lt ue 2.R{ Gt.2.l b) dass für den geschlossenen Schalter derselbe Betrag, aber mit umgekehrten Vorzeichen geliefert wird. 2) Für die Schaltung nach Abb. 2.2 sind die Einschalt- und Ausschaltspannung und die Hysterese des Schmitt-Triggers zu berechnen. Ebenso ist die Zeitkonstante des Integrators zu berechnen.

3 Spannungs-Frequenzumsetzer mit Seite 3 / 6 2,2 Versuchsdurchführung Erforderliche Geräte. I Steckbren für die Spannungs-Frequenz-Umsetzerschaltungen. 1 Kasten mit Verdrahtungskabeln. I Vielfachmessgerät. 1 Labornetzgerät. I Frequenzgenerator. I 2-Kanal-Speicheroszilloskop Operationsverstärker als Rampenfunktionsgenerator lue Ps 1k R2 10k Abb. 2.1: SchaltungsauJbau ryr Erzeugung einer umschaltbaren Rampenfunktion a) Aufbau der Schaltung nach Abb 2.1. Betriebsspannung +15 V. Der Frequenzgenerator ist so einzustellen, dass ac = 1,7 Vp (Peak), Pulsweite 30 ms, Periode z.b. 100 ms, Signalform: Rechteck beträgt. Das Multimeter ist zur Spannungsmessung mit dem Eingang E zu verbinden. Das Oszilloskop ist mit uc (Kanal l) und ae (Kanal2) zu verbinden. b) Mit Hilfe des Oszilloskops ist die Spannungsrampe u^ = flu") aufzunehmen, indem schrittweise die SpannunE U.= I Y 1,5 V, 2V, 2,5V, 3 V eingestellt wird. Auswertung;. Die notierten Spannungs- und Zeitwerte sind mit den Berechnungen zu vergleichen. Eventuelle Abweichungen sind zu erklären.. Es ist zu untersuchen, ob ein lineares Verhältnis zwischen dem Zeitverlauf des Ausgangssignals und der eingestellten Spannung U" besteht.

4 Spannungs- Frequenzumsetzer mit Operat ionsverstärkern Seite 4 / Spannungs-Frequenz-Umsetzer 2.2,2.1 Uy'-Umsetzer mit einem Analogschalter Der Transistor wird jetzt durch einen Analogschalter und der Frequenzgenerator durch einen Schmitt-Trigger ersetzt, der von dem Integrator getriggert wird. +Ua R,? 1ok l Abb. 2.2: AuJbau des U-f-Umsetzers mit Analogschalter a) Andern des bisherigen Schaltungsaufbaus entsprechend Abb.2.2. b) Das Oszilloskop ist nun mit us (Kanal l) zu verbinden. ae bleibt an Kanal 2. c) Aufnahme der Oszillogramme, indem die Spannung schrittweise auf U" = V,2 V,3 V eingestellt wird. d) Die Eingangsspannung ist auf U" = 7 V einzustellen. Aufnahme der Oszillograrnme, indem der Widerstand R3 schrittweise durch die Werte 4.7 ko und 2.2 kcl zu ersetzen ist. Auswertung'.. Die notierten Spannungs- und Zeitwerte sind nachzurechnen und zu vergleichen. Eventuelle Abweichungen sind zu erklären. Insbesondere sind die Unterschiede zwischen den Messergebnissen aus c) und d) sind zu erläutern.. Es ist zu untersuchen, ob ein lineares Verhältnis zwischen dem Zeitverlauf des Ausgangssignals aa und der eingestellten Spannung U" besteht.

5 Spannungs-Frequenzumsetzer mit Ausgabe: 1011 Seite 5 / U-l-U msetzer mit zwei Analogschal tern C 1,5 n 1/qTLO84 ul 4.7 k 1/6 1/ U4 1/+TLO84 +7,5 V -7,5 V Abb. 2.3: Aufbau des U-f-Umsetzers mit zwei Analogschaltern a) Schaltungsaufbaus entsprechend Abb b) Die erforderlichen Messgeräte sind anzuschließen. Die Betriebsspannung der Operationsverstärker beträgt Un = +15 V- Bei den CMOS-Bausteinen ist zur Versorgung eine Spannung von Voo = +7.5 V und Vss= -7.5 V anzulegen. c) Für eine Spannung Volr up= 2.5 V sind die Spannungsverläufe tr:, rr2, u3, tt4, Lt5, tr6 und tr' über der Zeitin einem Diagramm (auf einer Seite untereinander) aufzutragen. Achten Sie bei den Oszilloskopaufzeichnungen der genannten Spannungen auf ein gemeinsames Triggersignall d) Für die Spannungen up = 1,0 V 2,0 V 3,0 V und 4,0 V sind jeweils in separaten Diagrammen die Spannungsverläufe vor ur und az über der Tnit atfzuzeichnen, e) Messung des Zusammenhanges zwischen der Ausgangsfrequenz/n der Rechteckspannung rrz und der Eingangsspannung Up für Up = 0 bis 4 V in Schritten von 0,5 V Der gemessene Verlauf ist mit dem berechneten Verlauf zu versleichen. Auswertung: ' Es ist die Funktion /n = fluv) zu zeichnen. Sollte bei dem gemessenen Verlauf keine Linearität zwischen/n und Up bestehen, so ist anhand gemessenen Spannungsverläufe nach der Ursache zu suchen. Insbesondere ist zu untersuchen, ob eine Linearität zwischen den Spannungen uobzw. u7 und/q besteht.

6 3 Anhang Spannungs-Frequenzumsetzer mit Ausgabe: 1011 Seite 6 / 6 The MCl40668 consists of four independent switches capable of controlling either digilal or analog signals. This quad bilateral switch is useful in signal gating, chopper, modulator, demodulator and CMOS logic implementation. The MCl40668 is designed to be pin-for-pin compatible with the MC140168, but has much loaer ON resistance. lnput voltage swings as large as the full supply voltage can be controlled via each independent conlrol input. ' Triple Diode Protec{ion on All Control Inputs. Supply Voltage Range = 3.0 Vdc to 18 Vdc r LinearizedTransfer Characteristics. Low Noise - 12 nv/./eycle, f > 1.0 khz typical. Pin{orfin Replacementfor CM016, CIX016, MC For Lower Rgp, Use The HC4066 High-Speed CMOS Device CoNTROL BLOCK IN1H q DI,AGR,AM 2 t I f--'{ourl conrrol 2o-J I s a I l<our2 ln 2r_l - I 6 conrrol3h I I F-{our3 " rn 3o-l I tt corurnolaö---fl -tt1o u I 11 Four4 ln 4rt-J vdd = PIN 14 Vss = PIN z CIRCUIT SCHEMATIC (1t4 OF C RCUIT SHOWN) LOGIC DIAGRA'TI AND TRUTH TABLE (1/4 OF DEVTCE SHOWN) OUT/IN? I Logic Diagram R stridbns V59sV6*Vpg VggSVel,t<VDD Abb. 3.1: schaltzeichen und Pin-belegung des cmos- Analogschalters Auswertung und Berichtserstellung Für die Erstellung des Laborberichts gelten folgende Anforderungen: l. Die Gliederung des Berichts soll der Gliederung der Versuchsdurchführung entsprechen! 2' Messwerte und Oszillogramme ergänzen sich und gehören zusammen! Berechnungen aus den Vorarbeiten sowie eventuelle Berechnungen zu den Messreihen sind entsprechend einzuordnen. 3. Abweichungen in den Messergebnissen von den berechneten Ergebnissen sind schaltungstechnisch zu erkldren und ausnahmsweise nicht nach messtechnischen oder statistischen Aspekten! Bearbeitet: Mk W10/l I zulerzt am