Praktikum: Schaltungstechnik II Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. Matthias Viehmann

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1 Fachbereich Ingenieurwissenschaften Institut für Informatik, Automatisierung und Elektronik Praktikum: Schaltungstechnik II Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. Matthias Viehmann Versuch: ST II-4, 90 min Thema: Anwendungen II: Operationsverstärker und Schaltungssimulation Betreuung: Prof. Dr.-Ing. Matthias Viehmann Dipl.-Ing. (FH) Marco Hartung aum: Haus 20 / Labor Schaltungs- und Prozessortechnik. Versuchsziel Auf der Grundlage einer Aufgabenstellung zum Operationsverstärker (OPV) als Schmitt-Trigger (ST), Astabiler Multivibrator (AMV) und Dreieck-echteck-Generator (DG) werden der Schaltungsentwurf, die Schaltungssimulation und der praktische Test durchgeführt, mit dem Ziel, die Fähigkeiten und Fertigkeiten in der Schaltungstechnik, der Simulation sowie bei der Anwendung der Messtechnik weiter auszuprägen. In diesem Zusammenhang wird das Funktionsprinzip exemplarisch gewählter Schwingschaltungen verdeutlicht. Eine optionale Zusatzaufgabe beinhaltet eine Variante von einem VCO. 2. Vorbereitung 2. Schaltungen und Gesetzmäßigkeiten Nichtinvertierender Schmitt-Trigger Abbildung : Nichtinvertierender Schmitt-Trigger von 6

2 Ein Schmitt-Trigger ist eine Schalteranwendung des OPV, welche im Unterschied zum Komparator eine Schalthysterese aufweist. Die beiden Schaltpunkte der Schaltung in Abbildung ergeben sich gemäß Gleichung (). U = U = U = U mit: gemittelt Uamax = 0,5 UaSS () Ein Aus ef a max 2 Invertierender Schmitt-Trigger Abbildung 2: Invertierender Schmitt-Trigger Die beiden Schaltpunkte der Schaltung in Abbildung 2 ergeben sich gemäß Gleichung (2). U = U = U = U Ein Aus ef a max + 2 mit: gemittelt Uamax = 0,5 UaSS (2) Astabiler Multivibrator Abbildung 3: Grundschaltung AMV 2 von 6

3 Der astabile Multivibrator in der Abbildung 3 wird durch einen invertierenden Schmitt-Trigger gebildet, welcher mit einem Kondensator beschaltet ist. Das Ergebnis der alternierenden Umladung vom C ist eine echteckschwingung am Schaltungsausgang mit der Frequenz gemäß Gleichung (3). f a 2 2C ln (3) Der AMV in der Abbildung 4 besitzt eine Einstellmöglichkeit für das Tastverhältnis TV (siehe T,, D, D2) und für die Frequenz fa (siehe T2). Abbildung 4: AMV mit Einstellmöglichkeiten für TV und fa Dreieck-echteck-Generator Abbildung 5: Dreieck-echteck-Generator 3 von 6

4 Der Dreieck-echteck-Generator in Abbildung 5 besteht aus einem Integrierer und einem nichtinvertierenden Schmitt-Trigger. Die Ausgangsfrequenz der Dreieck- und echteckschwingung ergibt sich gemäß Gleichung (4). f a = 4 2 C 3 (4) 2.2 Aufgaben zur Vorbereitung. Schmitt-Trigger: Berechnen Sie mittels der Gleichungen () und (2) die Schaltpunkte der beiden Schaltungsvarianten mit der Dimensionierung = 0 kω und 2 = 20 kω! Hinweis: echnung mit ideal Uamax = 5 V. 2. AMV: Berechnen Sie die Ausgangsfrequenz für die Beschaltung = 20 kω, C = µf, 2 = 3 = 0 kω! 3. Dreieck-echteck-Generator: a) Berechnen Sie die Ausgangsfrequenz für die Beschaltung = 0 kω, C = 0, µf, 2 = 0 kω, 3 = 20 kω! b) Modifizieren Sie die Schaltung zwecks Einstellung der Frequenz fa und des Tastverhältnisses TV! c) Leiten Sie die allgemeine Gleichung zur Berechnung der Ausgangsfrequenz fa unter Berücksichtigung der vorgenommenen Modifizierungen her (vgl. Abbildung 4)! 3. Ausrüstung Ausrüstungsgrundlage bildet das hps Analogboard. Weiterhin kommen folgende Geräte, Anordnungen und Softwaretools zum Einsatz: Zweikanaloszilloskop Signalgenerator Frequenzmesser Labornetzteil Digitalmultimeter Laborleitungen Widerstands- und Kapazitätsdekaden Simulationssoftware Hinweis: Frequenzmesser auf Option :20 und Trigger optimal einstellen. 4. Literatur Vorlesungsmitschriften und Übungen Bauelemente und Grundschaltungen" und Schaltungstechnik II" Siehe Liste Literaturempfehlungen im Lektorenverzeichnis 4 von 6

5 5. Versuchsdurchführung und Auswertung. Schmitt-Trigger ealisieren Sie die beiden Schaltung mit den Werten von 2.2 und nehmen Sie die Übertragungskennlinien auf! Nutzen Sie für die Eingangsspannung Ue ein symmetrisches Dreiecksignal mit f = 50 Hz und UeSS = 6 V! Hinweis: Einstellung der Signalparameter für Ue vor der Messung vornehmen! Auswertung: Überprüfen Sie die ichtigkeit der Gleichungen () und (2) sowie des ermittelten Ausdrucks unter Punkt 2.2! Hinweis: Messung und Verwendung der realen Werte für Uamax. Diskutieren Sie Ursachen für die Abweichung der eferenzspannungen! 2. AMV Bauen Sie die Schaltung gemäß Abbildung 3 mit den Werten von 2.2 auf. Oszillografieren Sie die Ausgangsspannung Ua und die Spannung UC über dem Kondensator! Auswertung: Überprüfen Sie die ichtigkeit der Gleichung (3) sowie des ermittelten Ausdrucks unter Punkt 2.2 und beschreiben Sie den Verlauf der Kondensatorspannung! Hinweis: Frequenzmessung mit Oszilloskop und Frequenzmesser Entwerfen Sie das Simulationsmodell des AMV mit Modifizierungen gemäß der Abbildung 4 (Einstellmöglichkeiten TV und fa) und simulieren Sie das Schaltungsverhalten! Wählen Sie dabei folgende Beschaltung: = kω, T = kω, C = µf, T2 = 0 kω! Bauen Sie anschließend die Schaltung auf und testen Sie diese! Auswertung: Vergleichen Sie die Simulationsergebnisse mit den praktisch ermittelten Werten! 3. Dreieck-echteck-Generator Bauen Sie die Schaltung aus Abbildung 5 mit den Werten von 2.2 auf und oszillografieren Sie die beiden Ausgangsspannungen! Auswertung: Vergleichen Sie die berechneten und gemessenen Frequenzwerte! Hinweis: Frequenzmessung mit Oszilloskop und Frequenzmesser. Modifizieren Sie die Schaltung in der unter 2.2 vorbereitenden Form zur Einstellung von Tastverhältnis und Frequenz! Auswertung: Überprüfen Sie die Funktion! 5 von 6

6 6. Optionale Zusatzaufgabe Die Abbildung 6 zeigt einen spannungsgesteuerten Oszillator, der auch als Voltage Controlled Oscillator (VCO) oder als Voltage-to-Frequency Converter (V/F) bezeichnet wird. Abbildung 6: Voltage Controlled Oscillator (VCO) Die Frequenz seiner rechteckförmigen Schwingung am Ausgang ist mit der Eingangsspannung steuerbar. Der Einsatz der Schaltung erfolgt beispielsweise als Wobbelgenerator, als Messumformer oder in Frequenz- bzw. Phasenregelschleifen (PLL). Die Ausgangsfrequenz fa der Ausgangsspannung Ua (entspricht Ua3) ergibt sich aus Gleichung (5). f a = 6 C U e U 3 amax mit: Uamax = 0,5 UaSS (5) Bauen Sie die Schaltung mit folgenden Werten auf: = 0 kω 2 = kω 3 = kω 4 = 200 kω C = 00 nf Auswertung: Überprüfen Sie die Funktion der Schaltung und die ichtigkeit der Gleichung (5)! Hinweis: echnung mit mittlerem Uamax = 3,7 V und Bereitstellung der Eingangsspannung über Labornetzteil mit 0 V Ue + 5 V 6 von 6