Đo lường điện tử - Các mạch khuếch đại cơ bản dùng OP-AMP

PHẦN 1 CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI CƠ BẢN DÙNG OP-AMP I .MỤC ĐÍCH Bằng thực nghiệm khảo sát hoạt động của mạch op-amp cơ bản trong các mạch đo thông dụng như mạch khuếch đại đảo, khuếch đại không đảo, lặp điện áp,các mạch cộng và nhân, khuếch đại vi sai, các mạch so sánh. II. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM Nguồn cung cấp DMM Máy hiện sóng Bảng mạch thí nghiệm Bài 1: MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐẢO (INVERTING AMPLIFER) Mục đích: Kiểm tra độ lệch pha giữa tín hiệu ra so với tín hiệu vào và hệ số khuếch đại Sơ đồ mạch : Giá trị thực tế của các linh kiện : R1=99.4Ω, R2=0.995kΩ, R3=9.94kΩ,R4=9.66kΩ, R5=9.79kΩ Vout Đưa vào tín hiệu hình sine, tín hiệu lấy ra trên kênh 2 Vin Như vậy, tín hiệu ra lệch pha 180 độ so với tín hiệu vào. Tiến hành chỉnh điện áp lệch không về 0.117V. Kiểm tra lại bằng phương pháp Lissajous : Độ lệch pha được tính : Δ=Arcsin(OA/OB)= arcsin(0)=1800. 1.Nối mạch khuếch đại đảo như hình .Cho Vin =1.02Vdc.Đo điện áp đầu ra dùng DMM đo được áp đầu ra Vout=-10.09Vdc Độ lợi của mạch : Av=Vout / Vin=10 2.Điều chỉnh Vin =-0.992vdc.Kích CM9 để thay đổi giá trị R3. Dùng đồng hồ đo xác định Vo=3.02Vdc 3.Nối mạch như hình . Nối đầu vào R1 xuống điểm chung. Dùng TRIM chỉnh áp ra Vo=-0.025mV. Nối bộ tạo sóng sine đến đầu vào R1. Nối kênh 1 của máy hiện sóng đến đầu vào. Điều chỉnh bộ tạo sóng để có sóng sine 0.108 Vp-p 1000Hz .CM10 bật. Dùng kênh 2 của máy hiện sóng để đo áp ở đầu ra Cho Vin=2.08Vp-p đo đựợc Vout=20.12Vp-p Kết luận : tín hiệu ra đảo pha và được khuếch đại so với tín hiệu vào Bài2: MẠCH KHUẾCH ĐẠI KHÔNG ĐẢO (Non-inverting amplifier) Mục đích: kiểm tra độ lệch pha giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào, hệ số khuếch đại của mạch Nối mạch như hình vẽ : R1=5.77MΩ , R2=4.9MΩ, R3=9.88kΩ, R4=4.94kΩ Đưa tín hiệu vào hình sine , thu được tín hiệu ra : Từ hình vẽ ta có nhận xét: tín hiệu ra lệch pha 0 độ so với tín hiệu vào Tiến hành chỉnh điện áp Offset về -0.025mV. Kiểm tra lại bằng Lissajous : 1.NốI mạch như hình vẽ : Cho tín hiệu vào hình sine 2.08Vp-p Vo=11.23Vp-p Độ lợi của mạch Av= 11.73/2.08=5.64 Kết luận : mạch cho tín hiệu ra cùng pha so với tín hiệu vào, và hệ số khuếch đại đo được là 5.64 » 6 Bài 3: BỘ LẶP LẠI ĐIỆN ÁP (Voltage follower) Mục đích: khảo sát sự đồng pha và cùng biên độ của tín hiệu ra so với tín hiệu vào của mạch lặp điện áp. Nối mạch như hình vẽ : R1=19.87kΩ, R2=9.77kΩ, R3=19.85kΩ, R4=16.59MΩ Vo trùng Vi Cho tín hiệu vào hình sine , ta thu được tín hiệu ra : Kết luận : Tín hiệu ra cùng pha và cùng biên độ với tín hiệu vào Bài 4 : MẠCH CỘNG ĐẢO (inverting summing ) Mục đích : Kiểm tra tính chất Vo phụ thuộc vào các điện áp đầu vào và giá trị các điện trở đầu vào . Nối mạch như hình vẽ : R1=99.9kΩ , R2=9.91kΩ, R3=19.84kΩ, R4=4.59kΩ, R5=4.91k Ω, R6=4.94kΩ, R7=9.87kΩ Dùng DMM để đo Vo. Đo lần 1: V1=10.01Vdc V2=-10.01Vdc , đo Vo=-8.95Vdc Đo lần 2: V1=10.01Vdc V2=-1.1Vdc V3=1.504Vdc , đo Vo=-0.737Vdc Nhận xét:Vo phụ thuộc áp vào V1 V2 V3 Đo lần 3: V1=8Vdc V2=-0.01Vdc Vo=-0.787Vdc Đo lần 4: V1=-0.7mVdc V2=-9.99Vdc Vo=9.92Vdc Đo lần 5: V1=4.95Vdc V2=-5.04Vdc Vo=4.53Vdc Đo lần 6: V1=6.01Vdc V2=-5.014Vdc Vo=4.43Vdc ΔVo=Votruoc-Vosau=4.53-4.43=0.1 V Đo lần 7: V1=4.99Vdc V2=-6.1Vdc Vo=5.48Vdc ΔVo=Votruoc-Vosau=5.48-4.43=1.05 V Kết luận: Qua 7 lần đo trên ta đi đến kết luận :tín hiệu ra phụ thuộc vào các tín hiệu vào và các điện trở theo công thức : Vo= - ( (chỉ xét về DC) . Bài 5: MẠCH KHUẾCH ĐẠI CỘNG KHÔNG ĐẢO(Non-inverting summing) Mục đích : kiểm tra tính chất Vo phụ thuộc vào các điện áp đầu vào và giá trị các điện trở đầu vào . V1 Nốí mạch như hình vẽ : V2 R1=9.91kΩ R2=9.9kΩ R3=1.03kΩ R4=4.05kΩ R5=9.91k V1=4.01V, V2=-4.99V. Đo Vo= -2.41V Thay đổi V1=6V , V2 không đổi .Đo Vo=2.499V Kết luận : như vậy tín hiệu ra phụ thuộc tín hiệu vào theo công thức Vo=Va. (1+ Bài 6: MẠCH KHUẾCH ĐẠI VI SAI (Different amplifier) Mục đích : kiểm tra tính chất khuếch đại điên áp sai lệch giữa 2 ngõ vào của Opamp Sơ đồ mạch : R1=9.92kΩ R2=9.96kΩ R3=4.93kΩ R4=10.05kΩ R5=10.1kΩ R6=9.9kΩ Lần 1: V1=1.499Vdc ,V2=-1.499Vdc. Đo được Vo=-3.05V Lần 2 : V1=1.499Vdc V2=-0.2mV. Vo=-1.502V Lần 3 : V1=1.499V dc V2=1.502V V0=1.1mV Nối 2 đầu R1 và R2 chung một nguồn V3 với V3=8Vpp , tần số f1=1000Hz, Đo Vo=0. Giải thích: Vì khuếch đại sai khác giữa 2 điện áp vào nên đầu ra có giá trị bằng 0. Bài 7 : MẠCH SO SÁNH ĐIỆN ÁP VÒNG HỞ(OPEN-LOOP COMPARATOR) Mục đích : Khảo sát hoạt động của bộ so sánh điện áp dùng Op-amp. Sơ đồ mạch: R1=1.5kΩ, R2=4.63kΩ, R3=4.61kΩ, R4=9.83kΩ, R5=9.86kΩ Điều chỉnh Vo bão hoà đo Vi=1.713mV Vref=-1.499V đo được Vi=-1.493V Bài 8: MẠCH CHUYỂN ĐỔI DẠNG SÓNG VUÔNG (SQUARE WAVE CONVERTER) Phát sóng vuông Vi=1.992Vpp, f=1000Hz Dựa vào dạng sóng trên máy hiện sóng ta suy ra VT=0.33V PHẦN 2 CÁC MẠCH ỨNG DỤNG OPAMP Bài 1: MẠCH TÍCH PHÂN Mục đích : khảo sát dạng sóng ra sau khi qua mạch tích phân ,tính thời hằng T , điều kiện của mạch tích phân Input RC > PW (Output) RC = PW (Output) RC < PW Để có mạch tích phân , thời hằng T=RC phải lớn hơn độ rộng xung vào PW Sơ đồ mạch : R1=0.99kΩ, R2=0.896kΩ, R3=9.97kΩ, R4=9.94kΩ Dạng sóng vào : Dạng sóng ra : Thời hằng : T=R1C1=0.99kΩ*0.1uF=0.099mS Kết luận : tín hiệu vào xung vuông thì tín hiệu ra là xung tam giác Bài 2: MẠCH VI PHÂN Mục đích : kháo sát dạng sóng tín hiệu ra sau khi qua mạch vi phân . Input Output Dạng sóng ra phụ thuộc theo môí quan hệ giữa thời hằng và PW Input RC < PW (Output) RC = PW (Output) RC > PW (Output) R1=97.7Ω, R2=9.89kΩ, R3=9.94kΩ -Khi tín hiệu vào là hình sin tần số thấp 100Hz thì tín hiệu ra là hình sin nhưng lệch pha 90o. -Khi tín hiệu vào là hình sin tần số cao 1kHz thì tín hiệu ra là hình sin nhưng lệch pha 180o. Đưa vào xung tam giác, dang sóng ra là xung vuông . dạng sóng ra : Kết luận : mạch vi phân biến xung tam giác thành xung vuông Khi tín hiệu vào hình sin , thì sóng ra hình sin bị lệch pha và độ lệch pha phụ thuộc tần số của tín hiệu vào Sự kết hợp giữa mạc tích phân và vi phân với giá trị như trong từng mạch ở trên. Tín hiệu vào xung vuông , mạch tích phân tạo xung tam giác , mạch vi phân tạo lai xung vuông ban đầu .Vậy mạch tích phân và mạch vi phân có chức năng ngược nhau Bài 3: MẠCH LỌC THÔNG THẤP Mục đích : xác định dải tần số mà mạch cho qua.Kiểm tra hệ số khuếch đại trong dảithông , xác định độ dịch pha . Sơ đồ mạch: R1=10.44kΩ, R2=5.18kΩ, R3=10.41kΩ, R4=9.82kΩ fc=1/(2*3.14*(R2+R3)*C1)=1.02kHz Cho tín hiệu vào hình sin 2.08Vp-p Ở tần số 100Hz ta thu được dạng sóng ra là: Nhận xét : tín hiệu vào và ra có độ lệch pha bằng 0 độ và biên độ bằng nhau. Cho tín hiệu vào có tần số thay đổi f = 1kHz , Vin=2.08Vp-p. Ta có dạng sóng ra : Vo Vin Độ lệch pha là 45 độ , biên độ sóng ra giảm Vo=1.54Vp-p Khi tăng tần số lên 5kHz thì dạng sóng ra : Vo Vin Kết luận : Đối với mạch lọc thông thấp thì độ lệch pha sẽ phụ thuộc vào tần số,khi tần số tăng độ lệch pha tăng.Biên độ tín hiệu ra suy giảm khi tần số nằm ngoài dải thông, độ lợi lớn nhất trong dải thông Bài 4: MẠCH LỌC THÔNG CAO Mục đích: xác định dải tần số mà mạch cho qua .Kiểm tra hệ số khuếch đại trong dải thông , xác định độ dịch pha Sơ đồ mạch: R1=11.25kΩ, R2=15.74kΩ, R3=6.76 kΩ, R4=9.86kΩ fc=1/(2*3.14*R1*C1)=1.415kHz Cho tín hiệu vào hình sin 2.08Vp-p Ở tần số 100Hz ta thu được dạng sóng ra là: Vo=0.135Vp-p , lệch pha 270 độ Tăng tần số lên 1kHz , dạng sóng tín hiệu ra: Vo Vin Nhận xét : tín hiệu ra lệch pha 54o so với tín hiệu vào .Vo=1.12Vp-p. Tăng tần số lên 5kHz thu được dạng sóng ra : Vin Vo Nhận xét : tín hiệu ra lệch pha 18o so với tín hiệu vào , Vo=1.84Vp-p Kết luận: : đối với lọc thông cao thì độ lệch pha sẽ phụ thuộc vào tần số ,khi tần số tăng độ lệch pha giảm .Biên độ tín hiệu ra suy giảm khi tần số nằm ngoài dải thông ,hệ số khuếch đại lớn nhất trong dải thông Bài 5: MẠCH LỌC THÔNG DẢI Mục đích: xác định dải tần mà mạch cho qua .Kiểm tra hệ số khuếch đại trong dải thông , xác định độ dịch pha. R1=23.13kΩ, R2=23.13kΩ, R3=294kΩ, R4=9.94kΩ f1=7.51kHz f2=13.45kHz Cho tín hiệu vào 2Vp-p tần số 1khz , điện áp ra là 0.4Vp-p , dạng sóng tín hiệu ra : Vo Vin Nhận xét : tín hiệu ra lệch pha 90o so với tín hiệu vào . Tăng tần số lên 10kHz , dạng sóng ra : Vin Vo Nhận xét : tần số nằm trong dải thông ,tín hiệu lệch pha 180o so với tín hiệu vào ,Vo=4Vp-p Tăng tần số lên 30kHz thi dạng sóng ra : Vo Vin Nhận xét : tín hiệu ra lệch pha 270o so với tín hiệu vào ,Vo=0.4Vp-p Kết luận : đối với lọc thông dải thì độ lệch pha sẽ phụ thuộc vào tần số .Biên độ tín hiệu ra suy giảm khi tần số nằm ngoài dải thông, hệ số khuếch đại lớn nhất trong dải thông