Praktikum zur Vorlesung Elektronik SS Serie

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1 Praktikum zur Vorlesung Elektronik SS Serie Di :00-6:00 Uhr, Mi :00-6:00 Uhr, Fr :00-2:00 Uhr Ort: Gebäude (Anfängerpraktikum). Stock, Raum 430 Anwendungsbeispiele mit Operationsverstärkern In der heutigen Praktikumsserie sollen einige Anwendungen von Operationsverstäkerschaltungen mit negativer und positiver Rückkopplung vertieft werden. Die Schaltungen können auf der vorbereiteten Lochrasterplatine aufgebaut werden, deren Verschaltung unten dargestellt ist. Die Spannungsversorgungen und der Offsetabgleich sind bereits verdrahtet. Die grünen Verbindungen sind diejenigen, die auf der Oberseite der Platine als Steckkontakte herausgeführt sind. Hier können sie die Widerstände, Kondensatoren, etc. einstecken. Der Anschluss der Signalgeneratoren und des Oszillographen erfolgt über die BNC- oder Lemo-Buchsen. Die Anschlussbelegung des Operationsverstärkers können sie aus der unten dargestellten Skizze ersehen. Platinen-Layout für Operationsverstärkerschaltungen Anschlussbelegung des Operationsverstärkers LM 74

2 ) Spitzenspannungsmesser (Sample and Hold) Oft sind die Signale von Detektoren nur für einen kurzen Zeitraum vorhanden und man interessiert sich für die maximale Höhe des Impulses. Beispiele sind der Energieverlust eines geladenen Teilchens in einem Halbleiterzähler oder die Lichtintensität einer Photodiode bei Bestrahlung mit einem Pulslaser. Um diese Signale z.b. mit einem Analog zu Digitalkonverter (ADC) weiterzuverarbeiten ist es notwendig, die maximale Impulshöhe für einen längeren Zeitraum konstant zu halten. In dieser Zeit kann dann der ADC das Signal digitalisieren. a) Machen Sie sich zunächst die Funktionsweise der Schaltung klar. Welchen Sinn hat der nachgeschaltete Spannungsfolger?. b) Bauen Sie die nachfolgende Schaltung auf die vorbereitete Platine auf. Die Kathode (Strich beim Schaltsymbol) der Diode ist mit einem Ring auf dem Bauelement gekennzeichnet. Dimensionieren Sie den Widerstand R und die Kapazität C so, dass die Zeit zum Entladen des Kondensators langsam im Vergleich zu der Impulsbreite 00 s des eingespeisten Impuls ist. c) Schließen Sie den Signalgenerator an den Eingang der Schaltung an und beobachten Sie gleichzeitig die Spannungen U und U2 mit dem Oszillographen. Schauen Sie sich auch die Spannung am Ausgang des ersten Operationsverstärkers an. Verändern Sie die Impulshöhe des Eingangsimpulses und die Zeitkonstante des RC-Gliedes. 2) Logarithmischer Verstärker Will man Signale übertragen die einen großen dynamischen Bereich beanspruchen empfiehlt es sich die Signale vorher zu logarithmieren. Eine derartige Schaltung ist links dargestellt. Im U AK mu T Rückkoppelkreis befindet sich eine Diode deren Strom Ia gemäß Ia IS e gegeben

3 U U2 U U2 ist. Hierbei ist I S der Sättigungssperrstrom, UT die Temperaturspannung (ca. 60 mv), m ein Korrekturfaktor (..2) und U AK der Spannungsabfall an der Diode. Der Nachteil dieser Schaltung ist die Stromabhängigkeit des Korrekturfaktors m. Dieser ungünstige Einfluss lässt sich eliminieren wenn man anstelle der Diode einen Transistor einsetzt wie in der rechts UT dargestellten Schaltung gezeigt ist. Hier gilt: Ic ICS e. a) Berechnen Sie die Ausgangsspannung U2 als Funktion der Eingangsspannung U. Machen Sie dabei für die Schaltung mit der Diode die Näherung, dass der Exponentialterm wesentlich größer als eins ist. b) Messen Sie mit Hilfe der Digitalvoltmeter die Ausgangsspannung als Funktion der Eingangsspannung. Benutzen Sie hierzu den dritten Ausgang des Labornetzgerätes.. c) Tragen Sie das Ergebnis halblogarithmisch auf und vergleichen Sie die beiden Schaltungen d) Bestimmen Sie IS und mu T, bzw. bei der Transistorschaltung I CS und U T UBE

4 3) Aktiver Bandpassfilter Filterschaltungen höherer Ordnung ohne die Verwendung von Induktivitäten lassen sich durch die Verwendung von Operationsverstärkern realisieren. Dargestellt ist hier eine Schaltung eines Bandpassfilters zweiter Ordnung (vergl. Übungsaufgabe 45 WS08 Signalverarbeitung). Die Resonanzfrequenz ist f. Die Güte Q lässt sich durch die Wahl von R und R2 2 RC R 2 einstellen. Es gilt Q und für die Bandbreite B R2 R 2 2 RC R2 a) Dimensionieren Sie die Schaltung für f=59 Hz und Q= bzw. Q=0.5. b) Bauen Sie die Schaltung auf und messen Sie die Resonanzkurve c) Bestimmen Sie die Bandbreite und die Resonanzfrequenz.

5 Operationsverstärkerschaltungen mit positiver Rückkopplung (Mitkopplung) 4) Schmitt-Trigger Wird ein Teil der Ausgangsspannung auf den positiven nichtinvertierenden Eingang zurückgekoppelt spricht man von Mittkopplung oder positiver Rückkopplung. Solche Schaltungen haben meistens nur zwei stabile Zustände oder sie schwingen. Ein Beispiel ist der sogenannte Schmitt-Trigger (Komperator mit Hysteresis) der z.b. als Zweipunktregler eingesetzt wird. a) Machen Sie sich die Funktionsweise des invertierenden (linkes Schaltbild) und des nichtinvertierenden (rechtes Schaltbild) Schmitt-Triggers anhand der dargestellten Zeitdiagramme klar. b) Bauen Sie ein der sschaltungen auf. Geben Sie ein sinusfömiges Signal auf den Eingang und beobachten Sie die Ausgangsspannung U2. 5) Multivibrator Ein weiteres Schaltungsbeispiel ist der Multivibrator, der mit der Frequenz f schwingt. 2R 2 2RC ln R3 Wählen Sie für die Widerstände R R2 R3 0k und C =00nF. Messen Sie die Ausgangsspannung U2 mit demoszillographen und vergleichen Sie die Schwingungsfrequenz mit der angegebenen Gleichung.

6 6) Sägezahn-Rechteck-Generator Bauen Sie die Schaltung des Sägezahn-Rechteckgenerators auf und messen Sie mit dem R3 Oszillographen die Spannung U und U2. Es gilt f R 4R C 2