Báo cáo thí nghiệm mạch điện tử bài 3
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.56 MB, 22 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ
---------***---------
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM
MẠCH ĐIỆN TỬ
KIỂM CHỨNG MẠCH
ỨNG DỤNG DÙNG OP-AMP
Giảng viên hướng dẫn:
Trần Quang Việt
I.
Mục tiêu thí nghiệm:
-
Bài thí nghiệm giúp các bạn kiểm chứng nguyên lý hoạt động và các thông số cơ bản của
các mạch Op-Amp thông dụng bao gồm 2 nhóm mạch: mạch khuếch đại và mạch so sánh.
Hiểu rõ công dụng và chức năng cũng như nguyên lý hoạt động của các mạch, góp phần
trong việc hiểu chính xác các cách tính toán lý thuyết cũng như vận dụng chúng vào các
mạch thực tiễn và đưa vào trình độ chuyên môn nghề nghiệp sau này.
-
Những số liệu sai lệch khi tính toán lý thuyết và đo được trên thực tế đã đưa ra nhiều câu
hỏi giúp các thành viên trong nhóm tìm hiểu và hiểu thêm hơn về sự sai số trong môi
trường thực tế, từ đó đưa ra hướng khác phục và giải quyết chung cũng như để lại nhiều
kinh nghiệm quý báo cho những lần báo cáo sắp tới.
-
Trong quá trình thí nghiệm, bài thí nghiệm đã giúp các bạn hiểu và thành thạo các thao tác
trong việc sử dụng các thiết bị đo trong phòng thí nghiệm ( hộp thí nghiệm chính,máy đo
đa năng Fluke, máy dao động ký…) cũng như trong thao tác thực hiện lắp mạch và thực
hiện đo đạc để lấy số liệu cần thiết.
II.
Các lý thuyết phải kiểm chứng
Xét mạch Op-amp lý tưởng có : Rin= , Rout = 0 , Avd = , v+ = v- , i+ = i1. Mạch khuếch đại đảo ( inverting amplifier):
-
Chức năng: Khuếch đại đảo điện áp ngõ vào( tức ngõ ra ngược pha với ngõ vào).
Cấu tạo: mạch có tín hiệu vào qua điện trở Ri nối với cổng đảo (V-), tại cổng ra tín hiệu hồi
-
tiếp thông qua điện trở RF về cổng đảo. Cổng không đảo (V+) được nối đất.
Mạch có hệ số khuếch đại áp ngõ ra chỉ phụ thuộc vào các giá trị Ri , RF, nên ta lưu ý trong
-
quá trình chọn linh kiện lắp mạch, vì tính chất là mạch khuếch đại nên RF>=Ri
Điện áp ngõ ra ngược pha với điện áp ngõ vào.
Nếu Ri = RF , mạch tạo tầng đảo lặp lại điện áp.
Áp dụng KCL tại nút : =AV
Trong đó RL đóng vai trò là trở hồi tiếp âm, khi RL tăng thì AV tăng.
2. Mạch khuếch đại không đảo (non inverting amplifier):
- Chức năng: khuếch đại điện áp ngõ vào
- Tín hiệu vào kết nối với cổng không đảo. Cổng đảo nối với đầu ra qua điện trở RF và tiếp
-
đất qua điện trở Ri.
Mạch có hệ số khuếch đại áp ngõ ra chỉ phụ thuộc vào các giá trị Ri , RF. Vì tích chất
-
khuếch đại nên ta cần lưu ý chọn linh kiện có RF>=Ri
Điện áp ngõ ra cùng pha với điện áp ngõ vào.
-
Nếu RF = 0 => AV=1 , mạch dùng làm bộ đệm, áp giữ nguyên giá trị ngõ vào, tổng trở vào
-
lớn, tổng trở ngõ ra nhỏ.
RL đóng vai trò là trở hồi tiếp âm dùng để tăng độ lợi AV.
Áp dụng KCL tại nút : =AV.
3. Mạch khuếch đại cộng điện áp (summing amplifier):
- Chức năng khuếch đại thuật toán cộng.
- Mạch khuếch đại đảo với cửa đảo Vs- nối với nhiều điện áp ngõ vào thông qua các điện trở
-
Ri
Mạch khuếch đại tín hiệu ngõ ra bằng tổng các tín hiệu ngõ vào nhưng ngược pha.
V-(đảo) nối với một hai nhiều điện áp ngõ vào.
-
Áp dụng KCL cho nút tại cổng đảo :
Ta có : Ri1 = Ri2 = Ri
4. Mạch khuếch đại trừ điện áp:
-
Chức năng: mạch khuếch đại theo thuật toán trừ.
-
Mạch khuếch đại Op-amp với cửa đảo được nối với điện trở hồi tiếp R F, tín hiệu ngõ vào
V2 qua điện trở Ri2. Cửa không đảo được mắc với điện trở RF song song với tín hiệu ngõ
-
vào V1 qua điện trở Ri1.
Mạch khuếch đại có tín hiệu ngõ ra bẳng hiệu các tín hiệu ngõ vào.
-
Ta có : ;
mà V+ = VTa có Ri1 = Ri2 = Ri
5. Mạch so sánh (comparator):
-
Mạch Op-amp có cực đảo nối với điện thế so sánh Vref , cực thuận nối với điện thế chuẩn Vi
. Với giá trị rất lớn của hệ số khuếch đại, mạch khuếch đại op-amp cho tín hiệu ra V 0 ở các
mức giá trị :
+ Khi Vi < Vref thì (thực tế nhóm đo được)
+ Khi Vi > Vref thì (thực tế nhóm đo được)
-
Mạch tạo sóng vuông ở ngõ ra (có độ dốc nhỏ).
-
Khi v2>v1, v0 dần về vH (+vsat)
Khi v2
•
6. Mạch Schmitt Trigger (mạch so sánh có phản hồi):
-
Mạch so sánh có hai biên so sánh và vùng đệm giữ VTH và VTL.
Mạch khuếch đại Op-amp, cực đảo nối với tín hiệu ngõ vào so sánh V i , cực không đảo nối
-
với tín hiệu ngõ ra với điện trở hồi tiếp RF song song với điện trở RG.
Chức năng : Giống mạch so sánh nhưng có tính năng là lọc nhiễu .
Lý thuyết : không là hằng số mà dao động trong khoảng (VTL , VTH ) :
-
;
-
•
•
•
•
Nhận xét :
•
7. Mạch tạo sóng vuông và sóng tam giác:
_Mạch gồm 2 bộ Op-amp mắc nối tiếp :
+ Mạch 1 : Mạch Schmitt Trigger mức điện áp VS- = 0 ở cực đảo, điện áp ngõ vào là điện áp ra
Vo1 của mạch 2 mắc vào cực thuận có hồi tiếp RF qua điện trở Ri sao cho ngõ ra Vo1 bị méo
dạng thành xung vuông.
+ Mạch 2 : Mạch tích phân (ngõ ra là hàm tích phân ngõ vào) với cực không đảo nối đất, cực
đảo với tín hiệu vào là điện áp ra Vo1 của mạch 1 qua điện trở R và tụ hồi tiếp. Điện áp ra
bằng tích phân điện áp vào, tỉ lệ nghịch với hằng số thời gian
t
VO 2
III.
1
. VO1dt
RC �
0
; RC là hằng số thời gian .
Lựa chọn các dữ kiện đầu vào và phương pháp đo đạc các đại lượng
1. Lựa chọn các dữ kiện đầu vào
a. Mạch khuếch đại đảo
-
Để mạch đạt khuếch đại, chọn hai giá trị RF > 12kΩ
Chọn RF = 22kΩ
Chọn RF = 68kΩ => =
Chọn RF = 12kΩ => =
b. Mạch khuếch đại không đảo
-
Để mạch khuếch đại và không bị méo :
Chọn RF = 12kΩ
Chọn RF = 22kΩ => =
Chọn RF = 68kΩ => =
c. Mạch khuếch đại cộng điện áp
Hệ số khuếch đại : AV = , tín hiệu ngõ vào điều hòa với A là biên độ tín hiệu ngõ vào đo được
trên máy dao động ký
-
Chọn RF = 12kΩ , nguồn DC V2 = 5V
-
Chọn RF = 22kΩ, nguồn DC V2 = 5V
d. Mạch khuếch đại trừ điện áp
Hệ số khuếch đại : AV = , tín hiệu ngõ vào điều hòa với A là biên độ tín hiệu ngõ vào đo được
trên máy dao động ký
-
Chọn RF = 12kΩ , nguồn DC V2 = 5V
-
Chọn RF = 22kΩ, nguồn DC V2 = 5V
e. Mạch so sánh
Chọn Vref = 5V và Vi có biên độ lớn lớn hơn 5V để có ngõ ra là sóng vuông.
f. Mạch Schmitt Trigger
-
Chọn RF R7 12k
Chọn RF R8 22k
g. Mạch tạo sóng vuông, sóng tam giác
-
�R10 5.6k , C1 0.22uF
�
�R11 10k , C1 0.047uF
Chọn
để điều chỉnh hằng số thời gian .
Mạch Schmitt Trigger : thực hiện mạch tương tự mục (f) để tín hiệu ngõ ra méo dạng thành
xung vuông
với RF = 22kΩ => VO2 = - VO1
với RF = 68kΩ => VO2 = - VO1= -VO1.
•
2. Phương pháp đo đạc các đại lượng
Với các mạch khuếch đại : Lắp mạch theo các module sau, các thông số mạch được chọn
như mục 1, chỉnh biên độ tín hiệu vào sao cho ngõ ra không bị méo
a. Mạch khuếch đại đảo
b. Mạch khuếch đại không đảo
c. Mạch khuếch đại cộng điện áp
d. Mạch khuếch đại trừ điện áp
Với các mạch so sánh và tạo sóng: Chỉnh biên độ tín hiệu vào và lựa chọn các thông số
như trình bày ở mục 1 sao cho ngõ ra xuất hiện dạng sóng vuông hoặc sóng tam giác
e. Mạch so sánh
-
Chỉnh tín hiệu ngõ vào ở dạng xung tam giác.
Chọn Vref = 5V và Vi có biên độ lớn lớn hơn 5V để có ngõ ra là sóng vuông.
Quan sát dạng ngõ ra của tín hiệu và so sánh với dạng ngõ vào.
f. Mạch Schmitt Trigger
-
Chỉnh tín hiệu ngõ vào trong vùng dao động để mạch triệt tiêu tín hiệu nhiễu.
Quan sát dạng sóng ngõ ra VO và so sánh với dạng sóng ngõ vào Vi
g. Mạch tạo sóng vuông, sóng tam giác
Quan sát dạng sóng VO1 và VO2 với VO1 là xung vuông và VO2 là xung tam giác.
IV. Các kết quả thí nghiệm:
1. Mạch khuếch đại đảo:
Thực hiện mạch như sơ đồ đi dây trên. Chọn RF = R4 = 68kΩ. Cấp nguồn +12V và
-12V cho
mạch.
Chỉnh tín hiệu nhỏ: Quan sát dạng tín hiệu ngõ ra trên dao động kí, tăng biên độ tín hiệu ngõ
vào đến khi thấy tín hiệu ngõ ra bị méo dạng. Giảm biên độ tín hiệu ngõ vào đến khi không
còn thấy méo dạng ở tín hiệu ngõ ra nữa.
Đọc giá trị biên độ đỉnh – đỉnh của tín hiệu ngõ vào và ngõ ra trên dao động ký và điền kết quả
thu được vào bảng số liệu. Thực hiện các thao tác tương tự khi thay đổi khi R F = R5 =
22kΩ.
RF = R 4 =
68kΩ
RF = R 5 =
22kΩ
Tính toán lý thuyết
vo
Av
8.5V
-5.67 V/V
Kết quả đo được
vi
vi
vo
Av
1.5V
3.6V
20
-5.56V/V
V
`5V
9.15V -1.83V/V
10.6
20
-1.89V/V
V
V
Dạng tín hiệu vào/ ra thu được với RF = 68k.
Dạng tín hiệu vào/ ra thu được với RF = 22k
Nhận xét :
- Op-Am thực tế trong mạch khuếch đại đảo gần như giống với op-amp lý tưởng,
sai số khá nhỏ. Nguyên nhân sai số có thể đến từ sai số phép đo.
- Điện áp ngõ ra ngược pha với điện áp ngõ vào.
2. Mạch khuếch đại không đảo
Thực hiện mạch như sơ đồ đi dây trên. Chọn R F = R4 = 68kΩ. Cấp nguồn +12V và
-12V cho mạch.
Chỉnh tín hiệu nhỏ: Quan sát dạng tín hiệu ngõ ra trên dao động kí, tăng biên độ tín hiệu ngõ
vào đến khi thấy tín hiệu ngõ ra bị méo dạng. Giảm biên độ tín hiệu ngõ vào đến khi không
còn thấy méo dạng ở tín hiệu ngõ ra nữa.
Đọc giá trị biên độ đỉnh – đỉnh của tín hiệu ngõ vào và ngõ ra trên dao động ký và điền kết quả
thu được vào bảng số liệu. Thực hiện các thao tác tương tự khi thay đổi khi R F = R5 =
22kΩ.
vi
RF = R4 = 68kΩ
RF = R5 = 22kΩ
1V
3V
Tính toán lý thuyết
vo
Av
6.67V 6.67 V/V
8.49V 2.833V/V
vi
2.9(V)
7.2(V)
Kết quả đo được
vo
Av
20(V)
6.89(V/V)
20(V)
2.78(V/V)
Dạng tín hiệu ngõ vào/ ra thu được với RF = 68k
Nhận xét :
- Op-Am thực tế trong mạch khuếch đại đảo gần như giống với op-amp lý tưởng, sai số
khá nhỏ.
- Điện áp ngõ ra cùng pha với điện áp ngõ vào.
3. Mạch khuếch đại cộng điện áp
Thực hiện mạch như sơ đồ đi dây trên. Chọn R F = R6 = 12kΩ. Cấp nguồn +12V và
-12V cho mạch. Chọn V2 = 5V.
Chỉnh tín hiệu nhỏ: Quan sát dạng tín hiệu ngõ ra trên dao động kí, tăng biên độ tín hiệu ngõ
vào đến khi thấy tín hiệu ngõ ra bị méo dạng. Giảm biên độ tín hiệu ngõ vào đến khi không
còn thấy méo dạng ở tín hiệu ngõ ra nữa.
Đọc giá trị biên độ đỉnh – đỉnh của tín hiệu ngõ vào và ngõ ra trên dao động ký và điền kết quả
thu được vào bảng số liệu. Thực hiện các thao tác tương tự khi thay đổi khi R F = R5 =
22kΩ.
RF = R6 = 12kΩ
RF = R5 = 22kΩ
Tính toán lý thuyết
vi
vo
5V
5V
Kết quả đo được
vi
vo
1.8(V)
2(V)
0.8(V)
1.45(V)
Dạng tín hiệu ngõ vào/ ra thu được với RF = 12k
Nhận xét : Dạng sóng ngõ vào và ngõ ra ngược pha nhau nhưng luôn cách nhau một
khoảng cố định khi đo máy ở chế độ DC, nghiệm được sự đúng đắn của phép toán từ lý
thuyết, lệch trục chính của nhau một khoảng 5V(=V2)
4. Mạch khuếch đại trừ điện áp
Thực hiện mạch như sơ đồ đi dây trên. Chọn R F = R6 = 12kΩ. Cấp nguồn +12V và
-12V cho mạch. Chọn V2 = 5V.
Chỉnh tín hiệu nhỏ: Quan sát dạng tín hiệu ngõ ra trên dao động kí, tăng biên độ tín hiệu ngõ
vào đến khi thấy tín hiệu ngõ ra bị méo dạng. Giảm biên độ tín hiệu ngõ vào đến khi không
còn thấy méo dạng ở tín hiệu ngõ ra nữa.
Đọc giá trị biên độ đỉnh – đỉnh của tín hiệu ngõ vào và ngõ ra trên dao động ký và điền kết quả
thu được vào bảng số liệu. Thực hiện các thao tác tương tự khi thay đổi khi R F = R5 =
22kΩ.
Tính toán lý thuyết
vi
RF = R4 = 68kΩ
RF = R5 = 22kΩ
vo
Kết quả đo được
vi
6(V)
0.8(V)
vo
6(V)
1.5(V)
Dạng tín hiệu ngõ vào/ ra thu được với RF = 12k
Dạng tín hiệu ngõ vào/ ra thu được với RF = 22k
Nhận xét : Dạng sóng ngõ vào và ngõ ra ngược pha nhau nhưng luôn cách nhau một
khoảng cố định khi đo máy ở chế độ DC, nghiệm được tính đúng đắn từ phép toán lý
thuyết, lệch nhau 5V(=V2)
5. Mạch so sánh
Thực hiện mạch như sơ đồ đi dây trên.. Cấp nguồn +12V và -12V cho mạch. Chọn giá trị V ref =
5V.
Chọn giá trị biên độ ngõ vào v i lớn hơn 5V. Cần phải chọn giá trị như vậy để xuất hiện dạng
xung vuông ở tín hiệu ngõ ra. Nếu biên độ sóng ngõ vào v i nhỏ hơn 5V, tín hiệu ngõ ra sẽ ở
mức ngưỡng bão hòa âm/ dương của Op-Amp.
Quan sát dạng tín hiệu ngõ ra trên dao động ký. Dạng tín hiệu ngõ ra thu được như sau:
Dạng sóng ngõ vào/ ra thu được với Vref = 5V
Nhận xét :
- Đây là mạch so sánh đảo vì :
Khi Vi lớn hơn 5V thì đầu ra chuyển xuống mức thấp Vsat 10V .
Khi Vi nhỏ hơn 5V thì đâu ra chuyển lên mức cao Vsat 11V .
- Dạng sóng ngõ ra là sóng vuông .
6. Mạch Schmitt Trigger
Thực hiện mạch như sơ đồ đi dây trên. Chọn R F = R7 = 12kΩ. Cấp nguồn +12V và
-12V cho mạch. Điều chỉnh dạng tín hiệu vào là sóng sin, có biên độ lớn hơn giá trị V TH với
VTH
RG
12
VH
12 6(V )
RG RF
12 12
.
Quan sát dao động ký, dạng tín hiệu ngõ ra thu được như sau:
_Thay đổi dạng tín hiệu vào là xung tam giác, quan sát dao động ký, dạng tín hiệu ngõ ra thu
được như sau:
Sự phụ thuộc giữa dạng tín hiệu ngõ vào và ra:
Nhận xét : tính toán lý thuyết ta có Vsat của Vo = 12V nhưng khi đo ta chỉ có
Vsat=10V. Nguyên nhân sai số có thể đến từ sai số phép đo, dẫn đến sai số của hai biên
so sánh VTH và VTL. Dạng sóng ngõ ra là sóng vuông.
7. Mạch tạo xung vuông và xung tam giác
Thực hiện mạch như sơ đồ đi dây trên. Cấp nguồn +12V và -12V cho mạch.
Chọn RF = R8 = 22kΩ, R = R10 = 5.6 kΩ, C = C1 = 0.22μF.
Quan sát dao động ký, đọc giá trị biên độ đỉnh – đỉnh của tín hiệu v o1, vo2 và chu kỳ của nó.
Thực hiện các thao tác tương tự khi chọn R F = R9 = 68kΩ, R = R11 = 10 kΩ,
C = C1 = 0.047μF. Kết quả thu được như sau:
Dạng tín hiệu ngõ ra khi sử dụng RF = R8 = 22kΩ, R = R10 = 5.6 kΩ, C = C1 = 0.22μF
Dạng tín hiệu ngõ ra khi sử dụng RF = 68kΩ, R = R11 = 10 kΩ, C = C1 = 0.0.047μF
Nhận xét : mạch tạo ra đúng sóng vuông và sóng tam giác đúng theo lý thuyết từ hai loại
opamps tích phân và so sánh
