3. Laboreinheit - Hardwarepraktikum SS 2003

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1 3. Laboreinheit - Hardwarepraktikum SS Versuch: Operationsverstärker als Nichtinvertierender Verstärker Stellen Sie die Gleichungen zur Berechnung der Widerstände in der dargestellten Schaltung (Abbildung 1) zusammen. Machen Sie sich mit den Datenblättern und den Anschlußbelegungen für die 2- und 4-fach Operationsverstärker TL072 und TL074 (siehe TL072.pdf) vertraut. Abbildung 1 A1 Berechnen Sie für die Verstärkerschaltung (Abbildung 1) den notwendigen Widerstand für R 4, um bei R 3 = 110 Ω eine Verstärkung von V = 5 zu realisieren. Überprüfen Sie die Ergebnisse mit einer Schaltungssimulation. A2 Bauen Sie die Schaltung auf und verwenden Sie die in der Schaltung (Abbildung 1) angegebenen Widerstandswerte. Stellen den Widerstand R 4 auf den von ihnen berechneten Wert ein und untersuchen Sie Funktion der Schaltung messtechnisch. Dokumentieren Sie dazu die Zeitverläufe der Spannungen an den Knotenpunkten A und B bei einer Wechsel-, einer Misch- und 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?

2 2. Versuch: Operationsverstärker als Wechselspannungsverstärker Stellen Sie die Gleichungen zur Berechnung der Kapazität und der Grenzfrequenz in der nebenstehenden Schaltung zusammen. Abbildung 2 A1 Berechnen Sie die Grenzfrequenz der Schaltung für die angegebenen Bauelementewerte (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. 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 Oszilloskops.

3 3. Versuch: Operationsverstärker als Komparator ohne Hysterese Machen Sie sich mit der Funktion und der Berechnung der abgebildeten Komparatorschaltung (Abbildung 3) vertraut. Abbildung 3 Abbildung 4 A1 Bauen Sie die Schaltung (Abbildung 3) 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 U E von 8V und einer Frequenz f von 1kHz. Dokumentieren Sie die Zeitverläufe 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 Offsetspannung des Frequenzgenerators auf die Schaltung (pos. oder neg. Offsetspannung) in Bezug auf das Schaltverhalten des Operationsverstärkers? Untersuchen Sie für zwei ausgewählte Fälle (Spannungswerte und Offsetspannung) das Verhalten des Operationsverstärkers und dokumentieren Sie diese Fälle.

4 4. Versuch: Operationsverstärker als Komparator mit Hysterese Machen Sie sich mit der Funktion und der Berechnung der abgebildeten Komparatorschaltungen (Komparator mit Referenzspannung mit Hysterese) vertraut. Berechnen Sie für die untere Schaltung die Schalthysterese bei den angegebenen Widerstandswerten und einer Sättigungsspannung von +/- 15V. Für die Referenzspannung nutzen Sie die Schaltung aus Abbildung 4. Abbildung 5 A1 Untersuchen Sie für die angegebenen Schaltungen das Verhalten bei unterschiedlichen Eingangsspannungsformen (sinusförmig, rechteckförmig und sägezahnförmig) bei U E von 8V ohne Offsetspannung und einer Frequenz f von 1kHz und 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 diskutieren Sie die Ergebnisse. A2 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 U E 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 Hysterese bei den verschiedenen Widerstandswerten und diskutieren Sie die Ergebnisse. A3 Welche Auswirkung hat eine Offsetspannung des Frequenzgenerators auf die Schaltung? Untersuchen Sie zwei selbstständig ausgewählte Fälle (Spannungswerte und Offsetspannung) und dokumentieren Sie diese mittels Oszilloskope. A4 Überlegen Sie, welche Auswirkungen ein sehr kleiner oder sehr großer Rückkoppelwiderstand (R 3 und R 4 ) auf die Schaltung hat. Begründen Sie Ihre Meinung.

5 5. Versuch: Operationsverstärker als DA-Wandler Der Operationsverstärker wird hier als Digital - Analog Wandler genutzt. Der Versuch ist ausschließlich unter Nutzung des Simulationsprogramms durchzuführen. Machen Sie sich mit der dargestellten Schaltung vertraut. Betrachten Sie die Verhältnisse der Widerstände zueinander, welche Wirkung hat das Verhältnis der Widerstände in Bezug auf die Codierung von Digitalsignalen. Bereiten Sie zusätzlich die Gleichung, für die Ermittlung der Ausgangsspannung, vor. U RefO U RefU Abbildung 6 untere Ref. -spannung SE1 SE2 obere Ref. -spannung Abbildung 12 A1 Berechnen Sie die untere Referenzspannung U Ref1 am Punkt A und obere Referenzspannung U Ref2 am Punkt B für die Schaltung (Abbildung 11), 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 im voraus die Stufen der Ausgangsspannung, tragen Sie die Werte in eine Tabelle ein (ähnlich Mustertabelle). A3 Geben Sie die Schaltung (Abbildung 6) in der Simulationssoftware ein. Verwenden Sie für die Widerstände R Ref1 und R Ref2 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. Mustertabelle Schalter A in Schalter B in Schalter C in Schalter D in Ausgangsspannung U1 berechnet / gemessen SE1 SE1 SE1 SE SE

6 6. Versuch: Operationsverstärker als AD-Wandler In dem Versuch wird die Funktion eines AD-Wandlers untersucht. Nutzen Sie dazu ausschließlich die Simulationssoftware. 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.