RELAZIONE DI LABORATORIO Esercitazione di laboratorio di Elettrotecnica N 4 Svolta in data 11/01/2011 Corso di laurea in Ingegneria Aerospaziale Docente del corso ZICH RICCARDO Squadra (A,B,C) B Tavolo N 8 Componenti: COGNOME NOME MATRICOLA Capocchiano Carlo 744790 Chiementin Luca 742073 Chow Alex Nicolas 743474 Coda Matteo 741620 Pag. 1 di 7
AMPLIFICATORE OPERAZIONALE IN LINEARITÀ Configurazione invertente 1. OBIETTIVI Visualizzare i segnali d ingresso V s e quello d uscita V o nella configurazione invertente e confrontarla con i risultati teorici. 2. DESCRIZIONE DELL ESPERIMENTO E SCHEMA CIRCUITALE Dopo aver realizzato il circuito seguendo lo schema in figura, abbiamo settato il generatore d onda in modo da fornire un onda sinusoidale con una tensione di alimentazione dell amplificatore di 15 V e un segnale sinusoidale a 5 V di frequenza circa 99,6 Hz. Successivamente abbiamo visualizzato le forme d onda richieste sullo schermo dell oscilloscopio registrando anche i valori di picco delle tensioni V s e V o. 3. STRUMENTI E MATERIALI UTILIZZATI Generatore di funzioni d onda PeakTech 2080 Function Generator. Il generatore di funzioni d onda è l elemento del circuito che fornisce il segnale. A differenza del generatore di potenza, si occupa di fornire un segnale anche variabile nel tempo ma di intensità inferiore (µa). #2 resistore di resistenza 100 Ω; #1 res. da 4,7 k Ω; #1 res. da 1 k Ω. Oscilloscopio HP 54603B. L oscilloscopio è uno strumento in grado di visualizzare su uno schermo l andamento di un segnale (in termini di tensione) in funzione del tempo. Con questo strumento si possono eseguire misure di tempo e di ampiezza della forma d onda presentata all ingresso. Basetta millefori. Amplificatore operazionale L amplificatore operazionale fondamentalmente un amplificatore di segnale alimentato in continua che, idealmente, presenta: amplificazione o guadagno di tensione infinita, resistenza di ingresso infinita e resistenza di uscita nulla. Le equazioni costitutive sono: V o A( V V ) AVd I I 0 Per alimentarlo sono necessarie due tensioni uguali in valore assoluto, ma di polarità opposta. L uscita è alimentata dalla potenza fornita grazie all alimentazione. #3 cavi BNC (cavi di collegamento coassiali). Un cavo coassiale è composto da due cilindri concentrici di materiale conduttore, separati da un isolante. Il segnale trasmesso risulta schermato da disturbi elettromagnetici esterni, garantendo una maggior precisione nelle misure di laboratorio. Cavi e morsetti. Pag. 2 di 7
Generatore di tensione Stab AR140. Il generatore di tensione ideale è un elemento circuitale che impone una differenza di potenziale costante tra due punti, qualunque sia la corrente che lo attraversa. 4. RISULTATI ATTESI (TEORICI) L immagine seguente rappresenta la forma d onda sinusoidale della tensione imposta dal generatore di segnale (in verde) e della tensione in uscita dall amplificatore (in rosso). Nel primo caso (immagine di sinistra) si è rispettato lo schema circuitale, ottenendo un amplificazione e un inversione del segnale (in quanto R 2 è maggiore di R 1 ). Nel secondo caso, invertendo le resistenze, otteniamo un attenuazione del segnale in uscita. Per ottenere i risultati teorici seguenti, si è simulato il comportamento ideale di tutti gli elementi 5. RISULTATI SPERIMENTALI Nella seguente fotografia si nota come l oscilloscopio reale restituisca un immagine molto simile a quella della sua controparte virtuale. I valori teorici e sperimentali del segnale sul carico sono riassunti nella seguente tabella: Configurazione Risultati V s Formula V o Errore % Amplificatore Teorici 5 V R2-23,500 V +1,06% Vo V Sperimentali 5 V s R - 23,750 V 1 Attenuatore Teorici 5,375 V - 1,144 V -9,88% Sperimentali 5,375 V - 1,031 V 6. CONCLUSIONI La configurazione invertente permette l amplificazione o l attenuazione del segnale in ingresso a seconda che la resistenza di feedback sia maggiore o minore della resistenza d ingresso del segnale. Questa caratteristica si ottiene imponendo V + = 0 (terra relativa). La tensione duale è ottenuta con un partitore di tensione, mentre lo zero di riferimento è a +7,5 V rispetto alla terra assoluta. Sia i grafici che gli errori calcolati confermano quanto previsto teoricamente. Pag. 3 di 7
AMPLIFICATORE OPERAZIONALE IN LINEARITÀ Configurazione non invertente 1. OBIETTIVI Visualizzare i segnali d ingresso V s e quello d uscita V o nella configurazione non invertente e confrontarla con i risultati teorici. 2. DESCRIZIONE DELL ESPERIMENTO E SCHEMA CIRCUITALE Dopo aver realizzato il circuito seguendo lo schema in figura, abbiamo settato il generatore d onda in modo da fornire un onda sinusoidale con una tensione di alimentazione dell amplificatore di 15 V e un segnale sinusoidale a 5,5 V di frequenza circa 99,6 Hz. Successivamente abbiamo visualizzato le forme d onda richieste sullo schermo dell oscilloscopio registrando anche i valori di picco delle tensioni V s e V o. 3. STRUMENTI E MATERIALI UTILIZZATI Generatore di funzioni d onda PeakTech 2080 Function Generator. #2 resistore di resistenza 100 Ω; #1 res. da 4,7 k Ω; #1 res. da 1 k Ω. Oscilloscopio HP 54603B. Basetta millefori. Amplificatore operazionale #3 cavi BNC (cavi di collegamento coassiali). Cavi e morsetti. Generatore di tensione Stab AR140. 4. RISULTATI ATTESI (TEORICI) Pag. 4 di 7
L immagine precedente rappresenta la forma d onda sinusoidale della tensione imposta dal generatore di segnale (in verde) e della tensione in uscita dall amplificatore (in rosso). Nel primo caso (immagine di sinistra) si è rispettato lo schema circuitale, ottenendo una lieve amplificazione senza un inversione del segnale. Nel secondo caso, invertendo le resistenze, otteniamo un amplificazione maggiore del segnale in uscita. Per ottenere i risultati teorici, si è simulato il comportamento ideale di tutti gli elementi 5. RISULTATI SPERIMENTALI Nella seguente fotografia si nota come l oscilloscopio reale restituisca un immagine molto simile a quella della sua controparte virtuale. I valori teorici e sperimentali del segnale sul carico sono riassunti nella seguente tabella: Configurazione Risultati V s Formula V o Errore % Amplificatore Teorici 5,5 V R1 R2 6,670 V +0,27% Vo V Sperimentali 5,5 V s R 6,688 V 1 Attenuatore Teorici 5,5 V 31,350 V -2,31% Sperimentali 5,5 V 30,625 V 6. CONCLUSIONI La configurazione non invertente ha la caratteristica di permettere la sola amplificazione del segnale, a differenza dell invertente. Per ottenere la configurazione non invertente bisogna impostare la terra relativa all ingresso V - ed il segnale V s all ingresso V +. Gli errori sono accettabili in quanto inferiori al 5% quindi l esperienza ha avuto esito positivo. Pag. 5 di 7
AMPLIFICATORE OPERAZIONALE IN LINEARITÀ Configurazioni derivatore ed integratore invertente 1. OBIETTIVI Visualizzare qualitativamente i segnali d ingresso V s e quello d uscita V o nelle configurazioni di derivatore ed integratore invertente variando la forma d onda in ingresso. 2. DESCRIZIONE DELL ESPERIMENTO E SCHEMI CIRCUITALI Dopo aver realizzato il circuito seguendo lo schema in figura, abbiamo settato il generatore d onda in modo da fornire un onda sinusoidale con una tensione di alimentazione dell amplificatore di 15 V e un segnale a 5,5 V di frequenza circa 193,68 Hz. Successivamente abbiamo visualizzato le forme d onda richieste sullo schermo dell oscilloscopio: onda sinusoidale e triangolare per il derivatore, sinusoidale, quadra e triangolare per l integratore. 3. STRUMENTI E MATERIALI UTILIZZATI Generatore di funzioni d onda PeakTech 2080 Function Generator. #2 resistore di resistenza 100 Ω; #1 res. da 4,7 k Ω; #1 condensatore C105 (10 6 pf= 1 µf) Oscilloscopio HP 54603B. Basetta millefori. Amplificatore operazionale #3 cavi BNC (cavi di collegamento coassiali). Cavi e morsetti. Generatore di tensione Stab AR140. 4. RISULTATI ATTESI (TEORICI) Pag. 6 di 7
Le immagini precedenti rappresentano rispettivamente le forme d onda in uscita del derivatore invertente (sopra) e dell integratore invertente (sotto). Come nei precedenti esercizi, in verde è raffigurato l ingresso e in rosso l uscita dall amplificatore. Il derivatore analogico è costituito da un amplificatore operazionale invertente con un condensatore in serie all'ingresso. Siccome la relazione costitutiva del condensatore è una relazione differenziale la tensione di uscita dipende dalla derivata della tensione di ingresso. Allo stesso modo l integratore analogico si ottiene mettendo un condensatore come feedback, ottenendo in uscita la funzione integrale dell ingresso. Le formule che mettono in relazione ingresso ed uscita sono le seguenti: Derivatore Integratore dvs 1 Vo R C V dt o V R C Per ottenere i risultati teorici, si è simulato il comportamento ideale di tutti gli elementi 5. RISULTATI SPERIMENTALI Nella seguente fotografia si nota come l oscilloscopio reale restituisca un immagine molto simile a quella del derivatore virtuale. s 6. CONCLUSIONI La configurazione di base è invertente. Nel caso della derivazione il segnale in uscita risulta disturbato poiché la derivazione amplifica il rumore. Inoltre il derivatore non può sopportare i segnali discontinui perché la derivata nei punti di discontinuità tende a infinito: una rapida successione di cicli brucerebbe l amplificatore, venendo superato il valore massimo tollerato. Per questo motivo non è stato possibile fornire un segnale ad onda quadra. Viceversa, l integratore accetta qualunque segnale ed inoltre attenua il rumore. Pag. 7 di 7