OP-förstärkaren, INV, ICKE INV Komparator och Schmitt-trigger
OP-förstärkaren, INV, ICKE INV Komparator och Schmitt-trigger
OP-förstärkaren, INV, ICKE INV Komparator och Schmitt-trigger
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>OP</strong>-förstärkaren, <strong>INV</strong>, <strong>ICKE</strong> <strong>INV</strong><br />
<strong>Komparator</strong> <strong>och</strong> <strong>Schmitt</strong>-<strong>trigger</strong><br />
Resistiv förskjutningsgivare<br />
<strong>OP</strong>-förstärkare<br />
<strong>OP</strong>-förstärkaren, operationsförstärkaren, är den analoga<br />
elektronikens mest universella byggsten. Med en <strong>OP</strong>-förstärkare<br />
<strong>och</strong> några resistorer är det möjligt att bygga förstärkare vars<br />
signalförstärkning bestäms uteslutande av kvoten mellan de<br />
ingående resistansvärdena.<br />
Under försöket kommer Du att få koppla upp de två vanligaste<br />
förstärkarkopplingarna, inverteraren <strong>och</strong> icke inverteraren.<br />
<strong>OP</strong>-förstärkaren används också vid digitalisering av analoga signaler. Det finns enkla fall då det<br />
räcker att avgöra om en mätstorhet ligger under eller över en bestämd gräns. Under försöket<br />
kommer Du att koppla upp de vanligaste digitaliseringskopplingarna för denna tillämpning,<br />
komparatorn <strong>och</strong> <strong>Schmitt</strong>-<strong>trigger</strong>n.<br />
Enkel eller dubbel matningsspänning<br />
<strong>OP</strong>-förstärkare matas i allmänhet med dubbel matningspänning<br />
(till exempel ofta ±15V), även om det numera finns flera typer<br />
som kan arbeta med enkel matningsspänning. Den<br />
inverterande förstärkarkopplingen behöver dubbel<br />
matningsspänning även om inspänningen bara har en polaritet.<br />
I denna laboration har vi bara tillgång till ett 9 V-batteri, <strong>och</strong> får därför ta till ett konstgrepp. Vi<br />
skapar en konstgjord 0-punkt genom att dela batterispänning i två halvor (+9 = ±4,5V) . Enklast<br />
gör man det med en spänningsdelare bestående av två resistorer, men det finns även speciella<br />
kretsar för detta ändamål. Kretsarna har fördelen att den konstgjorda 0-punkten behåller ett<br />
stabilt värde även om 0-punkten belastas med en ström.<br />
1
Skjutpotentiometer<br />
En skjutpotentiometer kan användas för att mäta linjära förflyttningssträckor. Till detta försök<br />
har vi monterat en sådan på ett skjutmått. Potentiometern, som har värdet 10 kΩ, spänningsmatas<br />
med det konstanta framspänningsfallet hos två dioder. (Som i sin tur matas från batteriet <strong>och</strong> 0-<br />
punktskretsen). Potentiometern har slaglängden 60 mm, <strong>och</strong> spänningen från<br />
potentiometerkretsen varierar linjärt med förskjutningen från mittpunkten (c:a ± 0,6 V).<br />
Inverterare <strong>och</strong> icke inverterare<br />
De två vanligaste förstärkarkopplingarna med <strong>OP</strong>-förstärkare är den inverterande kopplingen <strong>och</strong><br />
den icke inverterande kopplingen. Vid försöken har Du tillgång till fyra precisionsmotstånd med<br />
resistansvärdena 1 kΩ, 3 kΩ, 15 kΩ <strong>och</strong> 30 kΩ.<br />
Förberedelseuppgift<br />
Sök igenom tabellen <strong>och</strong> ringa in:<br />
• Vilka resistorkombinationer ger 3 ggr förstärkning?<br />
• Vilken är den högsta förstärkning som kan "ställas in" med dessa resistorer?<br />
• Vilken är den lägsta förstärkning som kan "ställas in" med dessa resistorer?<br />
(Du behöver förmodligen inte räkna fram alla värden för att kunna svara på<br />
förberedelseuppgiften)<br />
2
Icke inverteraren<br />
Inverteraren<br />
R 1 R 2 ⏐F⏐ R 1 R 2 ⏐F⏐<br />
1 kΩ 3 kΩ 15 kΩ 30 kΩ<br />
3 kΩ 1 kΩ 30 kΩ 15 kΩ<br />
1 kΩ 15 kΩ 3 kΩ 30 kΩ<br />
15 kΩ 1 kΩ 30 kΩ 3 kΩ<br />
1 kΩ 30 kΩ 3 kΩ 15 kΩ<br />
30 kΩ 1 kΩ 15 kΩ 3 kΩ<br />
3 kΩ 15 kΩ 1 kΩ 30 kΩ<br />
15 kΩ 3 kΩ 30 kΩ 1 kΩ<br />
15 kΩ 30 kΩ 1 kΩ 3 kΩ<br />
30 kΩ 15 kΩ 3 kΩ 1 kΩ<br />
3 kΩ 30 kΩ 1 kΩ 15 kΩ<br />
30 kΩ 3 kΩ 15 kΩ 1 kΩ<br />
Mätförstärkare<br />
3
Förberett på kopplingsdäcket ...<br />
Förstärk spänningen från potentiometern 3 ggr. Koppla först upp den icke inverterande<br />
förstärkarkopplingen, <strong>och</strong> sedan den inverterande. Mät utspänningen med Scopemetern. Fyll i<br />
sambandet mellan förflyttningssträcka <strong>och</strong> utspänning från de båda förstärkarkopplingarna i<br />
diagrammet nedan.<br />
Av dina kurvor framgår förmodligen att en av <strong>OP</strong>-förstärkarkopplingarna är mindre lämplig<br />
tillsammans med potentiometergivaren! Vilken? Varför?<br />
(Se avsnittet "Potentiometerkretsens inre resistans")<br />
4
<strong>Komparator</strong> <strong>och</strong> <strong>Schmitt</strong>-<strong>trigger</strong><br />
Koppla <strong>OP</strong>-kretsen så att Du får en komparator. Med två lysdioder (vända för olika polaritet)<br />
kan man indikera polariteten på <strong>OP</strong>-förstärkarens utgång. Undersök funktionen. Mät <strong>OP</strong>förstärkarens<br />
maximala utspänningar med Scopemetern.<br />
+ U UTmax - U UTmax<br />
<strong>Schmitt</strong>-<strong>trigger</strong><br />
<strong>Schmitt</strong>-<strong>trigger</strong>n har positiv återkoppling. Detta gör att omslaget sker snabbt, men att<br />
omslagsnivåerna kommer att avvika något från referensnivån (som är 0 V, GND), kretsen<br />
kommer att uppvisa Hysteres. För <strong>Schmitt</strong>-<strong>trigger</strong>ns omslagsnivåer ± U T gäller följande<br />
samband:<br />
Koppla upp <strong>Schmitt</strong>-<strong>trigger</strong>n. Låt R 1 = 1 kΩ <strong>och</strong> R 2 = 30 kΩ. Följ likspänningen på <strong>Schmitt</strong><strong>trigger</strong>ns<br />
"-" ingång med Scopemetern, <strong>och</strong> ge akt på vid vilka spänningar som omslagen sker?<br />
(Omslagen ser Du med lysdioderna). Beräkna de teoretiska omslagsnivåerna enligt formeln.<br />
Jämför i tabellen nedan!<br />
5
Beräknat<br />
Uppmätt<br />
+U T -U T +U T -U T<br />
När använder man <strong>Schmitt</strong>-<strong>trigger</strong> respektive vanlig komparator?<br />
Antag att Du mäter temperaturen i en ugn med en resistanstermometer. Du vill hålla<br />
temperaturen någorlunda konstant vid 200 °C genom att styra ugnens värmeelement Av/På.<br />
Väljer Du <strong>Schmitt</strong>-<strong>trigger</strong> eller komparator? (Fördelar/nackdelar?)<br />
Potentiometerkretsens inre resistans<br />
Skjutpotentiometerns inre resistans ändrar sig med läget!<br />
Gör så här för att mäta den inre resistansen<br />
Teori: Om potentiometerkretsen belastas med ett trim-motstånd (5 kΩ) så att utspänningen<br />
sjunker till hälften av det obelastade värdet, så har detta motstånd samma värde som den inre<br />
resistansen R IN !<br />
Utförande: Mät spänningen E mellan skjutmotståndets mittuttag <strong>och</strong> Gnd utan trim-motståndet.<br />
Sätt sedan dit trim-motståndet, <strong>och</strong> justera detta tills den uppmätta spänningen minskat till<br />
hälften. Tag därefter bort trim-motståndet <strong>och</strong> mät upp dess resistans med Scopemetern.<br />
Upprepa detta för tre olika skjutmotståndslägen.<br />
Läge 5 mm 15 mm 25 mm<br />
R IN<br />
© William Sandqvist<br />
6