Cílem této úlohy je pochopit princip a možnosti nasazení operačních zesilovačů (OZ) při zpracování signálů ze snímačů. Zapojení se využívají při unifikaci, zesílení, zeslabení, filtraci (aktivní filtry) nebo převodu signálů mezi snímačem a řídicím systémem nebo mezi řídicím systémem a akčním členem.
Seznamte se s vnitřní strukturou a základními vlastnostmi operačního zesilovače.
Vyberte si čtyři základní zapojení s operačním zesilovačem a s využitím software RC2000 proveďte testovací měření.
Z naměřených dat vykreslete průběhy vstupních a výstupních signálů do jednoho grafu pro dané zapojení a popište co dané zapojení dělá se signálem včetně matematického popisu.
Zhodnoťte výsledky získané během měření.
Obr. 1 Propojení jednotlivých komponent úlohy
Operační zesilovač (OZ) je integrovaný obvod, který zesiluje rozdíl napětí mezi svými dvěma vstupy. Skládá se z několika vnitřních tranzistorových stupňů a vyznačuje se extrémně vysokým zesílením, obrovským vstupním odporem (nezatěžuje měřicí místo) a velmi malým výstupním odporem.
Obr. 2 Blokové schéma klasického OZ
Pro lepší pochopení chování v obvodech se ideální operační zesilovač definuje těmito třemi základními pravidly (vlastnostmi):
Nekonečné zesílení: Zesílení napětí naprázdno Av se limitně blíží nekonečnu (v praxi dosahuje běžně hodnot 104až 106.
Nekonečný vstupní odpor: Odpor mezi vstupy je nekonečně velký, neprotéká jimi tedy žádný vstupní proud (Iin = 0).
Nulový výstupní odpor: Výstupní odpor je nulový, což znamená, že chování výstupu není zatíženo odběrem proudu.
Mezi další klíčové vlastnosti reálného operačního zesilovače patří:
Invertující a neinvertující vstup: Napětí přivedené na invertující vstup – se na výstupu otočí o 180˚ (obrátí znaménko). U neinvertujícího vstupu + zůstává fáze zachována.
Šířka pásma: Schopnost zesilovat i vysokofrekvenční signály – s rostoucím kmitočtem zesílení klesá.
Slew rate (Rychlost přeběhu): Maximální rychlost, jakou se může výstupní napětí měnit (udává se ve V/µs).
Obr. 3 a) Princip symetrického napájení OZ b) Schématická značka OZ
Zjednodušené zapojení OZ je na obr. 2. Obsahuje vstupní rozdílový zesilovač, napěťový budící stupeň a koncový stupně se zapojením komplementárních tranzistorů. Vazba mezi jednotlivými stupni je galvanická.
Podle typu použitých externích součástek a jejich zapojení do obvodu (odporů, kapacit, cívek) můžeme vytvořit různá zapojení, které signál zpracovávají na hardwarové úrovni. Signál můžeme zesílit, zeslabit, odečítat, posouvat, invertovat, porovnávat, derivovat, integrovat apod.
Pro záznam a generování budete používat software RC2000. Manuál naleznete zde.
Seznamte se se softwarem RC2000.
Připojte napájecí konektory (+5 V, GND) k I/O jednotce a základové desce pro moduly s operačními zesilovači.
Sestavte zapojení pro neinvertující zesilovač (propojte výstup jednotky na vstup Vašeho zapojení a výstup Vašeho zapojení na vstup jednotky).
Generujte sinus signál z jednotky např. s parametry amplituda signálu 0.5 V, a frekvence signálu 100 Hz. Parametry se mohou lišit podle typu zapojení a je nutno je optimalizovat).
Proveďte měření pro 4 různé kombinace parametrů externích prvků a zaznamenejte je do souboru pro pozdější zpracování měřených dat v Excelu (uložte je do souboru s přípomou *.txt).
Bod 3 a 5 opakujte pro další tři zapojení dle pokynů cvičícího např. invertující zapojení OZ, komparátor, sumátor apod. Zapojení naleznete zde nebo zde v kapitole o OZ.
Naměřené průběhy vyneste do grafů a okomentujte co se děje se signálem, pokud projde jednotlivými Vámi sestavenými obvody včetně obecného matematického popisu a výpočtu pro jeden z parametrů pro daný typ obvodu.
V závěru zhodnoťte dosažené výsledky.
Jaké jsou základní vlastnosti operačního zesilovače?
Co to znamená, že zapojení otáčí fázi signálu o 180˚?
Co je to symetrické napájení?
Jaké zesílení má ideální operační zesilovač?
Jakou má vstupní impedanci operační zesilovač?
Jakou má výstupní impedanci operační zesilovač?
Na čem závisí, co zapojení s operačním zesilovačem bude dělat se vstupním signálem?