OP-förstärkaren, INV, ICKE INV Komparator och Schmitt-trigger

OP-förstärkaren, INV, ICKE INV
Komparator och Schmitt-trigger
Resistiv förskjutningsgivare
OP-förstärkare
OP-förstärkaren, operationsförstärkaren, är den analoga
elektronikens mest universella byggsten. Med en OP-förstärkare
och några resistorer är det möjligt att bygga förstärkare vars
signalförstärkning bestäms uteslutande av kvoten mellan de
ingående resistansvärdena.
Under försöket kommer Du att få koppla upp de två vanligaste
förstärkarkopplingarna, inverteraren och icke inverteraren.
OP-förstärkaren används också vid digitalisering av analoga signaler. Det finns enkla fall då det
räcker att avgöra om en mätstorhet ligger under eller över en bestämd gräns. Under försöket
kommer Du att koppla upp de vanligaste digitaliseringskopplingarna för denna tillämpning,
komparatorn och Schmitt-triggern.
Enkel eller dubbel matningsspänning
OP-förstärkare matas i allmänhet med dubbel matningspänning
(till exempel ofta ±15V), även om det numera finns flera typer
som kan arbeta med enkel matningsspänning. Den
inverterande förstärkarkopplingen behöver dubbel
matningsspänning även om inspänningen bara har en polaritet.
I denna laboration har vi bara tillgång till ett 9 V-batteri, och får därför ta till ett konstgrepp. Vi
skapar en konstgjord 0-punkt genom att dela batterispänning i två halvor (+9 = ±4,5V) . Enklast
gör man det med en spänningsdelare bestående av två resistorer, men det finns även speciella
kretsar för detta ändamål. Kretsarna har fördelen att den konstgjorda 0-punkten behåller ett
stabilt värde även om 0-punkten belastas med en ström.
1

Skjutpotentiometer
En skjutpotentiometer kan användas för att mäta linjära förflyttningssträckor. Till detta försök
har vi monterat en sådan på ett skjutmått. Potentiometern, som har värdet 10 kΩ, spänningsmatas
med det konstanta framspänningsfallet hos två dioder. (Som i sin tur matas från batteriet och 0-
punktskretsen). Potentiometern har slaglängden 60 mm, och spänningen från
potentiometerkretsen varierar linjärt med förskjutningen från mittpunkten (c:a ± 0,6 V).
Inverterare och icke inverterare
De två vanligaste förstärkarkopplingarna med OP-förstärkare är den inverterande kopplingen och
den icke inverterande kopplingen. Vid försöken har Du tillgång till fyra precisionsmotstånd med
resistansvärdena 1 kΩ, 3 kΩ, 15 kΩ och 30 kΩ.
Förberedelseuppgift
Sök igenom tabellen och ringa in:
• Vilka resistorkombinationer ger 3 ggr förstärkning?
• Vilken är den högsta förstärkning som kan "ställas in" med dessa resistorer?
• Vilken är den lägsta förstärkning som kan "ställas in" med dessa resistorer?
(Du behöver förmodligen inte räkna fram alla värden för att kunna svara på
förberedelseuppgiften)
2

Icke inverteraren
Inverteraren
R 1 R 2 ⏐F⏐ R 1 R 2 ⏐F⏐
1 kΩ 3 kΩ 15 kΩ 30 kΩ
3 kΩ 1 kΩ 30 kΩ 15 kΩ
1 kΩ 15 kΩ 3 kΩ 30 kΩ
15 kΩ 1 kΩ 30 kΩ 3 kΩ
1 kΩ 30 kΩ 3 kΩ 15 kΩ
30 kΩ 1 kΩ 15 kΩ 3 kΩ
3 kΩ 15 kΩ 1 kΩ 30 kΩ
15 kΩ 3 kΩ 30 kΩ 1 kΩ
15 kΩ 30 kΩ 1 kΩ 3 kΩ
30 kΩ 15 kΩ 3 kΩ 1 kΩ
3 kΩ 30 kΩ 1 kΩ 15 kΩ
30 kΩ 3 kΩ 15 kΩ 1 kΩ
Mätförstärkare
3

Förberett på kopplingsdäcket ...
Förstärk spänningen från potentiometern 3 ggr. Koppla först upp den icke inverterande
förstärkarkopplingen, och sedan den inverterande. Mät utspänningen med Scopemetern. Fyll i
sambandet mellan förflyttningssträcka och utspänning från de båda förstärkarkopplingarna i
diagrammet nedan.
Av dina kurvor framgår förmodligen att en av OP-förstärkarkopplingarna är mindre lämplig
tillsammans med potentiometergivaren! Vilken? Varför?
(Se avsnittet "Potentiometerkretsens inre resistans")
4

Komparator och Schmitt-trigger
Koppla OP-kretsen så att Du får en komparator. Med två lysdioder (vända för olika polaritet)
kan man indikera polariteten på OP-förstärkarens utgång. Undersök funktionen. Mät OPförstärkarens
maximala utspänningar med Scopemetern.
+ U UTmax - U UTmax
Schmitt-trigger
Schmitt-triggern har positiv återkoppling. Detta gör att omslaget sker snabbt, men att
omslagsnivåerna kommer att avvika något från referensnivån (som är 0 V, GND), kretsen
kommer att uppvisa Hysteres. För Schmitt-triggerns omslagsnivåer ± U T gäller följande
samband:
Koppla upp Schmitt-triggern. Låt R 1 = 1 kΩ och R 2 = 30 kΩ. Följ likspänningen på Schmitttriggerns
"-" ingång med Scopemetern, och ge akt på vid vilka spänningar som omslagen sker?
(Omslagen ser Du med lysdioderna). Beräkna de teoretiska omslagsnivåerna enligt formeln.
Jämför i tabellen nedan!
5

Beräknat
Uppmätt
+U T -U T +U T -U T
När använder man Schmitt-trigger respektive vanlig komparator?
Antag att Du mäter temperaturen i en ugn med en resistanstermometer. Du vill hålla
temperaturen någorlunda konstant vid 200 °C genom att styra ugnens värmeelement Av/På.
Väljer Du Schmitt-trigger eller komparator? (Fördelar/nackdelar?)
Potentiometerkretsens inre resistans
Skjutpotentiometerns inre resistans ändrar sig med läget!
Gör så här för att mäta den inre resistansen
Teori: Om potentiometerkretsen belastas med ett trim-motstånd (5 kΩ) så att utspänningen
sjunker till hälften av det obelastade värdet, så har detta motstånd samma värde som den inre
resistansen R IN !
Utförande: Mät spänningen E mellan skjutmotståndets mittuttag och Gnd utan trim-motståndet.
Sätt sedan dit trim-motståndet, och justera detta tills den uppmätta spänningen minskat till
hälften. Tag därefter bort trim-motståndet och mät upp dess resistans med Scopemetern.
Upprepa detta för tre olika skjutmotståndslägen.
Läge 5 mm 15 mm 25 mm
R IN
© William Sandqvist
6