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-3, 90 min Thema: Anwendungen I: Operationsverstärker und Schaltungssimulation Betreuung: Prof. Dr.-Ing. Matthias Viehmann Dipl.-Ing. (FH) Marco Hartung Raum: Haus 20 / Labor Schaltungs- und Prozessortechnik 1. Versuchsziel Auf der Grundlage einer Aufgabenstellung zum Operationsverstärker (OPV) als Summierer, Differenzverstärker und Integrierer 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 analoger Rechenschaltungen verdeutlicht. Eine optionale Zusatzaufgabe beinhaltet eine Variante von einem VCO. 2. Vorbereitung 2.1 Schaltungen und Gesetzmäßigkeiten Summierer In Abbildung 1 ist ein Summierer dargestellt. Es handelt sich um einen invertierenden Verstärker, der mehrere Eingänge besitzt, mit deren Hilfe Eingangspannungen gewichtet (durch die Einzelverstärkungen mit einem Faktor versehen) summiert werden können. Abbildung 1: Summierer mit OPV 1 von 5

2 Die Ausgangsspannung der dargestellten Schaltung ergibt sich aus: R2 R2 R2 R 2 a = e 1 + e2 + e ez R11 R12 R13 R1 z (1) Differenzverstärker Der in Abbildung 2 dargestellte Differenzverstärker liefert als Ausgangsspannung die Differenz zweier Eingangsspannungen, wobei jede Eingangsspannung oder die Differenz mit einem Faktor versehen werden können. Abbildung 2: Differenzverstärker mit OPV Die Ausgangsspannung der dargestellten Schaltung ergibt sich aus: ( + ) ( + ) R R R R = a e2 e1 R1 R3 R4 R1 (2) Integrierer Die Schaltung in Abbildung 3 liefert als Ausgangsspannung das Integral der Eingangsspannung. Die Ausgangsspannung der dargestellten Schaltung ergibt sich aus: t 1 = ( t) dt + ( t ) a e a RC t0 0 (3) Die Spannung a0 liegt zu Beginn der Integration bereits am Ausgang an. Bei einer konstanten Eingangsspannung ergibt sich eine sich zeitlich linear ändernde Ausgangsspannung (Rampenfunktion). Mit e = konst. und a0 = 0 gilt: RC e a = t (4) 2 von 5

3 Abbildung 3: Integrierer mit OPV 2.2 Aufgaben zur Vorbereitung 1. Summierer: Berechnen Sie mittels Gleichung (1) die Faktoren für die Wichtung der Eingänge mit den Werten R2 = 20 kω, R11 = 10 kω, R12 = 20 kω, R13 = 40 kω! 2. Differenzverstärker: Vereinfachen Sie die Gleichung (2) mit R1 = R3 = 10 kω und R2 = R4 = 20 kω! 3. Integrierer: Berechnen Sie die Zeit t für a = 2 V mit R = 200 kω, C = 10 µf und e = konst. = 1 V! 4. Informieren Sie sich über weitere analoge Rechenschaltungen mit OPV, so z. B. Differenzierer, Logarithmierer, Exponentialverstärker! 3. Ausrüstung Ausrüstungsgrundlage bildet das hps Analogboard. Weiterhin kommen folgende Geräte, Anordnungen und Softwaretools zum Einsatz: Zweikanaloszilloskop Labornetzteil Digitalmultimeter Frequenzmesser Laborleitungen Widerstandsdekaden Simulationssoftware Hinweis: Frequenzmesser auf Option 1:20 und Trigger optimal einstellen. 4. Literatur Vorlesungsmitschriften und Übungen Bauelemente und Grundschaltungen" und Schaltungstechnik II" Siehe Liste Literaturempfehlungen im Lektorenverzeichnis 3 von 5

4 5. Versuchsdurchführung und Auswertung 1. Summierer Bauen Sie die Schaltung mit den Werten von 2.2 auf. Beschalten Sie die Eingänge mit e1 = 0,5 V, e2 = 1 V sowie e3 = 1 V und ermitteln Sie a! Auswertung: Überprüfen Sie die Richtigkeit der Gleichung (1) sowie des ermittelten Ausdrucks unter Punkt 2.2! 2. Differenzverstärker Bauen Sie die Schaltung mit den Werten von 2.2 auf. Beschalten Sie die Eingänge mit e1 = 1 V sowie e2 = 2 V und ermitteln Sie a! Auswertung: Überprüfen Sie die Richtigkeit der Gleichung (2) sowie des ermittelten Ausdrucks unter Punkt 2.2! Entwerfen Sie das Simulationsmodell des Differenzverstärkers und simulieren Sie ihn mit den Werten von 2.2 sowie mit der Beschaltung der Eingänge mit e1 = 1 V und e2 = 2 V! Auswertung: Vergleichen Sie die Simulationsergebnisse mit den praktisch ermittelten Werten! 3. Integrierer Bauen Sie die Schaltung mit den Werten von 2.2 auf. Ermitteln Sie messtechnisch mit dem Oszilloskop die Zeit t. Hinweis: realisieren Sie a0 = 0 V, indem Sie C überbrücken und für den Start der Integration den Kurzschluss wieder aufheben! Auswertung: Vergleichen Sie den berechneten und den gemessenen Zeitwert, skizzieren Sie das Oszilloskopbild und diskutieren Sie rsachen möglicher Abweichungen! 4 von 5

5 6. Optionale Zusatzaufgabe Die Abbildung 4 zeigt einen spannungsgesteuerten Oszillator, der auch als Voltage Controlled Oscillator (VCO) oder als Voltage-to-Frequency Converter (V/F) bezeichnet wird. Abbildung 4: 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 a (entspricht a3) ergibt sich aus Gleichung (5). f a = 4R C R e a max R3 + R4 mit: amax = 0,5 ass (5) Bauen Sie die Schaltung mit folgenden Werten auf: R1 = 10 kω R2 = 1 kω R3 = 1 kω R4 = 1 kω R5 = 200 kω C1 = 100 nf Auswertung: Überprüfen Sie die Funktion der Schaltung und die Richtigkeit der Gleichung (5)! Hinweis: e über Labornetzteil mit 0 V e + 5 V. 5 von 5