การทดลองที่ 2 op amp applications i ตอนที่ 1 summing amp ... 2 ex...

23
303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 1 ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า มหาวิทยาลัยนเรศวร Rf vout v2 Ri2 - + v1 Ri1 Ii I1 I2 If การทดลองที 2 Op Amp Applications I ตอนที 1 Summing Amp Circuit วัตถุประสงค์ 1. ประกอบวงจรขยายผลรวม (Summing Amp) แบบกลับเฟสและแบบไม่กลับเฟสได้ถูกต้อง 2. อธิบายการทางานของวงจรขยายผลรวม แบบกลับเฟสและแบบไม่กลับเฟสได้ 3. สามารถหาความสัมพันธ์ระหว่างสัญญาณอินพุตกับสัญญาณเอาต์พุต เมื่อสัญญาณอินพุตเปลี่ยนแปลงได้ 4. สามารถหาความสัมพันธ์ระหว่างสัญญาณอินพุตกับสัญญาณเอาต์พุต เมื่อความต้านทาน 1 R เปลี่ยนแปลงได้ ทฤษฎี 1. วงจรขยายผลรวมแบบกลับเฟส (Inverting Summing Amplifier) รูปที 1-1 จากวงจรรูปที1-1 จะเห็นได้ว่า 2 1 i I I I และ f i I I ดังนั้น f 1 2 I I I 1 i 1 1 R / V I 2 2 2 / i R V I f o f R / V I 2 2 1 1 / / / i i f o R V R V R V 2 2 1 1 / / V R R V R R V i f i f o ถ้าให้ i 2 i 1 i R R R

Upload: others

Post on 28-Oct-2019

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: การทดลองที่ 2 Op Amp Applications I ตอนที่ 1 Summing Amp ... 2 Ex 2 OpAmpApp I.pdf · 303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 3 ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า

303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 1

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา้ มหาวิทยาลยันเรศวร

Rf

vout

v2 Ri2

-

+

v1 Ri1

IiI1

I2

If

การทดลองที่ 2 Op Amp Applications I ตอนที่ 1 Summing Amp Circuit

วัตถุประสงค์ 1. ประกอบวงจรขยายผลรวม (Summing Amp) แบบกลบัเฟสและแบบไมก่ลบัเฟสได้ถกูต้อง 2. อธิบายการท างานของวงจรขยายผลรวม แบบกลบัเฟสและแบบไม่กลบัเฟสได้ 3. สามารถหาความสมัพนัธ์ระหวา่งสญัญาณอินพตุกบัสญัญาณเอาต์พตุ เมื่อสญัญาณอินพตุเปลีย่นแปลงได้ 4. สามารถหาความสมัพนัธ์ระหวา่งสญัญาณอินพตุกบัสญัญาณเอาต์พตุ เมื่อความต้านทาน 1R เปลีย่นแปลงได้

ทฤษฎ ี 1. วงจรขยายผลรวมแบบกลบัเฟส (Inverting Summing Amplifier)

รูปที่ 1-1

จากวงจรรูปท่ี 1-1 จะเห็นได้วา่ 21i

III และ

fiII

ดงันัน้ f12

III

1i11

R/VI 222 / iRVI

fofR/VI

2211 /// iifo RVRVRV 2211 // VRRVRRV ififo ถ้าให้

i2i1iRRR

Page 2: การทดลองที่ 2 Op Amp Applications I ตอนที่ 1 Summing Amp ... 2 Ex 2 OpAmpApp I.pdf · 303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 3 ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า

303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 2

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา้ มหาวิทยาลยันเรศวร

21ifo

VVR/RV และถ้าให้ RRR ´i

21 VVVo วงจรขยายผลบวกนี ้เป็นหลกัการเบือ้งต้นของวงจร Digital to Analogue Converter (DAC) เนื่องจาก เมื่อก าหนดให้แรงดนัอินพตุแตล่ะตวัมีคา่เทา่กนั เสมือนเป็นลอจิก “1” และ R ที่ตอ่อยูก่บัอินพตุนัน้ๆเป็นคา่ประจ าหลกั ก็จะท าให้ได้คา่ outV เป็นผลรวมของคา่เลขฐานสองแตล่ะบิต ดงัรูป

Rf

Vo-

+

Rx

Rp

Rn Vn

Vp

Vx

R2

V1

V2

R1

รูปที่ 1-2

p

nx

fx

n21f

n

n

f

2

2

f

1

1

f

oV

)RR(

RR)

R

1

R

1

R

1

R

1(V)

R

R(V)

R

R(V)

R

R(V

Page 3: การทดลองที่ 2 Op Amp Applications I ตอนที่ 1 Summing Amp ... 2 Ex 2 OpAmpApp I.pdf · 303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 3 ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า

303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 3

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา้ มหาวิทยาลยันเรศวร

Rf

vout

vth

Rth

-

+

Ri

Rf

vout

v2

R2

-

+

v1

Ri

R1

2. วงจรขยายผลรวมแบบไมก่ลบัเฟส (Non-Inverting Summing Amplifier)

รูปที่ 1-3

จากวงจรรูปท่ี 1-3 จะเห็นได้วา่ 1...............R/R1VVifio

วิธีหา thV ก าหนดให้ RRR

21

จาก Thevenin theorem 2/RR//RR21th

จาก Superposition theorem 2.................2/VVV21th

จากสมการ (1) และ (2) สามารถเขียนเป็นวงจรใหมไ่ด้ดงันี ้

รูปที่ 1-4

เนื่องจากอินพตุอิมพีแดนซ์ของวงจรขยายแบบไมก่ลบัเฟสมีคา่สงูมาก ๆ ดงันัน้ 3...............VV

ith

จากสมการ (1),(2) และ (3) สามารถเขยีนเป็นสมการใหมไ่ด้ดงันี ้

2/VVR/R1V21ifo

Page 4: การทดลองที่ 2 Op Amp Applications I ตอนที่ 1 Summing Amp ... 2 Ex 2 OpAmpApp I.pdf · 303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 3 ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า

303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 4

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา้ มหาวิทยาลยันเรศวร

เคร่ืองมือและอุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลอง 1. มลัติมิเตอร์ 1 เคร่ือง 2. ออสซิลโลสโคป 1 เคร่ือง 3. IC Op-Amp เบอร์ uA741 4. ความต้านทานท่ีใช้งาน 4k10,k5 5. สายตอ่วงจร 1 ชดุ การทดลองตอนที่ 1 วงจรขยายผลรวม

วงจรขยายผลรวมแบบกลบัเฟส (Inverting Summing Amplifier) 1.1 ตอ่วงจรตามรูปท่ี 1-5 ที่ก าหนดให้ (ยงัไมม่ี LR )

Rf 10k

+12V

vov2

Ri2 10k

LM741

-12V

4

72

3

6

-

+

v1

Ri1 10k

รูปที่ 1-5

1.2 ปอ้นแรงดนั 52 V โวลต์ และปรับแรงดนั 1V เปลีย่นแปลงไปตามตารางที่ 1-1 ใช้ออสซิลโลสโคปวดัแรงดนัเอาต์พตุ เลอืกวดัไฟ DC แล้วบนัทกึผลการทดลอง oV ลงในตารางที่ 1-1

Page 5: การทดลองที่ 2 Op Amp Applications I ตอนที่ 1 Summing Amp ... 2 Ex 2 OpAmpApp I.pdf · 303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 3 ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า

303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 5

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา้ มหาวิทยาลยันเรศวร

ตารางที่ 1-1

1.3 เปลีย่นแรงดนั 2V เป็น 0 โวลต์ และปรับแรงดนั 1V เปลีย่นแปลงไปตามตารางที่ 1-1 อีกครัง้ แล้วบนัทกึผลการทดลอง

oV ลงในตารางที่ 1-1 1.4 เปลีย่นแรงดนั 2V อีกเป็น -5 โวลต์ และปรับแรงดนั 1V เปลีย่นแปลงไปตามตารางที่ 1-1 อีกครัง้ แล้วบนัทกึผลการทดลอง oV ลงในตารางที่ 1-1 1.5 จากการทดลอง oV ในตารางที่ 1-1 น ามาเขียนกราฟ oV ในฟังก์ชัน่ของ 1V เมื่อ 2V =+5 ,0 และ -5V ลงในตารางกราฟรูปท่ี 1-1

Vo (V)

V1 (V)

ตารางกราฟรูปที่ 1-1

1.6 ให้เปลีย่น 1iR มีคา่เทา่กบั 5 k ทดลองซ า้ข้อ 1.1 ถึง 1.5 และบนัทกึผลการทดลอง oV ลงในตารางที่ 1-2

)(1 VV -10 -8 -6 -2 0 +2 +6 +8 +10

VV 52 )(0 VV

VV 02 )(0 VV

VV 52 )(0 VV

Page 6: การทดลองที่ 2 Op Amp Applications I ตอนที่ 1 Summing Amp ... 2 Ex 2 OpAmpApp I.pdf · 303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 3 ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า

303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 6

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา้ มหาวิทยาลยันเรศวร

ตารางที่ 1-2

1.7 จากผลการทดลอง

oV ในตารางที่ 1-2 น ามาเขียนกราฟ oV ในฟังก์ชัน่ของ 1V เมื่อ 5

2V

และ V5 ลงในตารางกราฟท่ี 1-2

Vo (V)

V1 (V)

ตารางกราฟที่ 1-2

วงจรขยายผลรวมแบบไมก่ลบัเฟส (Non-Inverting Summing Amplifier)

1.8 ตอ่วงจรตามรูปท่ี 1-4 ปอ้นสญัญาณอินพตุ V1 รูปคลืน่ Sine Wave ให้ได้ความถ่ี Z

kH1 ขนาด

PPV 4 และ V2 = 2V 1.9 ใช้ Oscilloscope วดัสญัญาณอนิพตุ V1 และเอาต์พตุ Vout เปรียบเทียบกนั ตัง้ Oscilloscope ให้เห็นรูปกราฟได้อยา่งเหมาะสม เลอืกวดัไฟ DC แล้วเขียนรูปคลืน่ท่ีได้ลงในตารางกราฟที่ 1-3 และบนัทกึผลคา่สงูสดุ

)(1 VV -10 -8 -6 -2 0 +2 +6 +8 +10

VV 52 )(0 VV

VV 02 )(0 VV

VV 52 )(0 VV

Page 7: การทดลองที่ 2 Op Amp Applications I ตอนที่ 1 Summing Amp ... 2 Ex 2 OpAmpApp I.pdf · 303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 3 ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า

303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 7

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา้ มหาวิทยาลยันเรศวร

LM741

Rf 10k

voutv2

R2 10k

-

+

v1

Ri 10k

R1 10k

-12V

4

2

3 7

6

+12V

รูปที่ 1-4

ตารางกราฟรูปที่ 1-3

วดัคา่ VO Peak =…………………V 1.10 ทดลองซ า้ข้อ 1.8 ถึง 1.9 แตเ่ปลีย่น Ri ให้มีคา่เทา่กบั 5K แล้วเขียนรูปคลืน่ท่ีได้ลงในตารางกราฟ

รูปท่ี 1-4 และบนัทกึผลคา่สงูสดุ

1CH ............ V/Div 2CH ........... V/Div Time Base………..s/Div

Page 8: การทดลองที่ 2 Op Amp Applications I ตอนที่ 1 Summing Amp ... 2 Ex 2 OpAmpApp I.pdf · 303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 3 ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า

303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 8

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา้ มหาวิทยาลยันเรศวร

ตารางกราฟรูปที่ 1-4

วดัคา่ VO Peak =…………………V ค าถามท้ายการทดลอง

1. เปรียบเทียบผลที่ได้จาก ตารางที่ 1-1 กบัตารางที่ 1-2 และอธิบายสาเหตขุองความแตกตา่ง ...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 2. เปรียบเทียบรูปคลืน่ VO ที่ได้จากข้อ 1.8 และข้อ 1.10 และอธิบายสาเหตขุองความแตกตา่ง ......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

สรุปและวิเคราะห์ผลการทดลอง ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

1CH ............ V/Div 2CH ........... V/Div Time Base……..ms/Div

Page 9: การทดลองที่ 2 Op Amp Applications I ตอนที่ 1 Summing Amp ... 2 Ex 2 OpAmpApp I.pdf · 303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 3 ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า

303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 9

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา้ มหาวิทยาลยันเรศวร

ตอนที่ 2 Integrator Circuit วัตถุประสงค์

1. ประกอบวงจรอินทิเกรเตอร์ (Integrator circuit) โดยใช้ Op-Amp ได้ถกูต้อง 2. อธิบายการท างานของวงจรอินทิเกรเตอร์ (Integrator circuit) โดยใช้ Op-Amp ได้สามารถวดัและ

ค านวณหาขนาดรูปคลืน่ของ i

V และ o

V ได้ถกูต้อง

3. สามารถวดัและค านวณหาขนาดรูปคลืน่แรงดนัของ i

V และ o

V ได้ถกูต้อง ทฤษฎี Op-Amp Integrator circuit คือวงจรใช้ไอซีออปแอมป์สร้างเป็นวงจร Integrator สญัญาณแรงดนัอินพตุที่เข้ามา แสดงดงัรูปท่ี 2-1 โดยมี 1R เป็น Input Element และมี C เป็น Feedback Element วงจรจะตอ่กลบักนักบัวงจร Differentiator สมการของแรงดนัขาออกจะเป็นไปตามสมการของการ Integrator สญัญาณแรงดนัขาเข้า

1..........................)(./1)( 1 dttvCRtv io

vout

-

+

vin R1

C

รูปที่ 2-1 วงจรอนิทเิกรเตอร์

ความสมัพนัธ์ของความถ่ีสญัญาณขาเข้าก็มีผลตอ่การเปลีย่นแปลงของแรงดนัขาออกเช่นกนัจงึต้องใช้ sR ตอ่ขนานกบั C เพื่อจ ากดั (Low Frequency Resistor) เมื่อความถ่ีเปลีย่นแปลง แล้วอาจเพิม่ 2R เข้าที่ขา Non-Inv ก็ได้ เพื่อลด

oiV (input offset) แสดงดงัรูปท่ี 2-2

Page 10: การทดลองที่ 2 Op Amp Applications I ตอนที่ 1 Summing Amp ... 2 Ex 2 OpAmpApp I.pdf · 303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 3 ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า

303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 10

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา้ มหาวิทยาลยันเรศวร

R2

RS

vout

-

+

vin R1

C

รูปที่ 2-2 วงจรอนิทเิกรเตอร์ที่สมบูรณ์แบบ

การท างาน ถ้า f > fc วงจรท างานเป็น Integrator จะได้ dttvCRtv io )(/1)( 1

และ ถ้า f < fc วงจรท างานเป็น Inverting Amp จะได้ 1sv

R/RA

เมื่อ fc = CR2/1s

และ s12

R//RR

คา่ก าหนดทัว่ไป มกัให้ 1s

R10R โดยที่คา่คาบเวลาของสญัญาณเข้า CRTs

เคร่ืองมือและอุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลอง 1. มลัติมิเตอร์ 1 เคร่ือง 2. ออสซิลโลสโคป 1 เคร่ือง 3. IC OP-AMP เบอร์ uA741 4. ความต้านทานท่ีใช้งานคา่ k100,3xk10 5. คาปาซิเตอร์ที่ใช้งานคา่ 0022.0 F 6. สายตอ่วงจร 1 ชดุ

Page 11: การทดลองที่ 2 Op Amp Applications I ตอนที่ 1 Summing Amp ... 2 Ex 2 OpAmpApp I.pdf · 303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 3 ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า

303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 11

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา้ มหาวิทยาลยันเรศวร

การทดลองตอนที่ 2 Integrator Circuit สตูรค านวณเบือ้งต้น

1. tVtv peakii sin)( )(

2. Output Voltage: dttvCR

tvt

io 01

)(1

)(

3. Low Frequency Response : CR2

1f

s

c

4. เมื่อ f < fc

วงจรจะท างานคล้ายกบั Inverting Amp โดยมี1

s

vR

RA

f > fc

วงจรจะท างานเป็น Integrator 5. )RR/()RR(R

s1s12

2.1 ตอ่วงจรตามรูปท่ี 2-3 ตัง้ออสซลิโลสโคปให้เห็นรูปกราฟได้อยา่งเหมาะสม เลอืกดสูญัญาณ AC

R2 10k

RS 100k

+12V

vout

741

-12V

4

72

3

6

-

+

vin R1 10k

C 0.0022 µF

รูปที่ 2-3 Integrator Circuit 2.2 ปอ้นสญัญาณอินพตุรูปคลืน่ Square Wave ความถ่ี 10kHz ขนาด 1 Vpp ใช้ Oscilloscope วดัสญัญาณอินพตุและเอาต์พตุเปรียบเทียบกนั แล้วเขียนรูปคลืน่ท่ีได้ลงในตารางกราฟรูปท่ี 2-1 แล้วบนัทกึผล

Page 12: การทดลองที่ 2 Op Amp Applications I ตอนที่ 1 Summing Amp ... 2 Ex 2 OpAmpApp I.pdf · 303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 3 ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า

303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 12

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา้ มหาวิทยาลยันเรศวร

ตารางกราฟรูปที่ 2-1

2.3 วดัคา่

oV

oV =……………....

ppV

2.4 วดัชว่งเวลาของสญัญาณเอาต์พตุ t1 =........................ s, t2 =........................ s (ดรููปท่ี 3-4)

2.5 ค านวณ Output Voltage จากสมการ dttvCR

tvt

io 01

)(1

)( =…………………

2.6 เปรียบเทียบกราฟที่วดัได้กบัสมการที่ค านวณได้ในข้อ 2.5 วา่แตกตา่งกนัอยา่งไร...………………………………………………………………………………………………………………………………. 2.7 ทดลองใหมต่ัง้แตข้่อ 2.2 ถึงข้อ 2.6 โดยเปลีย่นความถ่ีอินพตุให้มีคา่เทา่กบั 4kHz ตัง้ออสซิลโลสโคป ให้เห็นรูปกราฟได้อยา่งเหมาะสม เลอืกดสูญัญาณ AC แล้วเขียนรูปคลืน่ท่ีได้ลงในตารางกราฟรูปที่ 2-2 และบนัทกึผลคา่ Vpp

1CH ............ V/Div 2CH ........... V/Div Time Base………..s/Div

Page 13: การทดลองที่ 2 Op Amp Applications I ตอนที่ 1 Summing Amp ... 2 Ex 2 OpAmpApp I.pdf · 303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 3 ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า

303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 13

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา้ มหาวิทยาลยันเรศวร

ตารางกราฟรูปที่ 2-2

2.8 วดัคา่ oV PPo VV ........................... 2.9 วดัชว่งเวลาของสญัญาณเอาต์พตุ t1 =........................ s, t2 =........................ s

2.10 ค านวณคา่ Output Voltage จากสมการ dttvCR

tvt

io 01

)(1

)( =…………………

2.11 เปรียบเทียบกราฟที่วดัได้กบัสมการที่ค านวณได้ในข้อ 2.10 วา่แตกตา่งกนัอยา่งไร...………………………………………………………………………………………………………………………………. 2.12 ทดลองใหมต่ัง้แตข้่อ 2.2 ถงึข้อ 2.6 อีกครัง้ โดยเปลีย่นความถ่ีอินพตุให้มคีา่เทา่กบั 200 Hz ตัง้ ออสซิลโลสโคป ให้เห็นรูปกราฟได้อยา่งเหมาะสม เลอืกดสูญัญาณ AC แล้วเขียนรูปคลืน่ท่ีได้ลงในตารางกราฟรูปท่ี 2-3 และบนัทกึผลคา่ Vpp

1CH ............ V/Div 2CH ........... V/Div Time Base………..s/Div

Page 14: การทดลองที่ 2 Op Amp Applications I ตอนที่ 1 Summing Amp ... 2 Ex 2 OpAmpApp I.pdf · 303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 3 ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า

303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 14

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา้ มหาวิทยาลยันเรศวร

ตารางกราฟรูปที่ 2-3 2.12 วดัคา่ oV ppo VV ........................... 2.13 วดัช่วงเวลาของสญัญาณเอาต์พตุ T =........................ s

2.14 หาคา่ Voltage Gain จาก ........................R

RA

1

s

v

และ ........................V

VA

i

o

v

2.15 ค านวณคา่ Output Voltage จากสมการ ppis

ivo VVR

RVAV ........................

1

2.16 เปรียบเทียบคา่ทีว่ดัได้กบัคา่ที่ค านวณได้ในข้อ 2.15 วา่แตกตา่งกนัอยา่งไร ………………………………………………………………………………………………………………………………… ค าถามท้ายการทดลอง

1. จากผลการทดลองในข้อ 2.2 ข้อ 2.7 และ ข้อ 2.12 เพราะเหตใุดรูปคลืน่ oV จึงมีความแตกตา่งกนั ......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

1CH ............ V/Div 2CH ........... V/Div Time Base………..s/Div

Page 15: การทดลองที่ 2 Op Amp Applications I ตอนที่ 1 Summing Amp ... 2 Ex 2 OpAmpApp I.pdf · 303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 3 ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า

303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 15

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา้ มหาวิทยาลยันเรศวร

2. คา่ความต้านทาน 2R ในวงจรการทดลองรูปท่ี 2-3 มีผลเป็นอยา่งไร จงอธิบายมาพอเข้าใจ...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 3. ถ้าปอ้นรูปคลืน่ Sine Wave ความถ่ี 300Hz ขนาด 1 Vpp เข้าที่อนิพตุของวงจรการทดลองรูปท่ี 2-3 จงเขียนรูปคลืน่

oV ลงในตารางกราฟตอ่ไปนี ้(ไมต้่องท าการทดลอง)

V i

VO

+1

+

-1

-

สรุปและวิเคราะห์ผลการทดลอง ...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... ......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

Page 16: การทดลองที่ 2 Op Amp Applications I ตอนที่ 1 Summing Amp ... 2 Ex 2 OpAmpApp I.pdf · 303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 3 ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า

303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 16

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา้ มหาวิทยาลยันเรศวร

ตอนที่ 3 Differentiator Circuit วัตถุประสงค์ 1. ประกอบวงจรดิฟเฟอร์เรนชิเอเตอร์ (Differentiator Circuit) โดยใช้ Op-Amp ได้ถกูต้อง 2. อธิบายการท างานของวงจรดิฟเฟอร์เรนชิเอเตอร์ โดยใช้ Op-Amp ได้ 3. สามารถวดัรูปคลืน่แรงดนัของ Vi และ Vo ได้ถกูต้อง 4. สามารถค านวณหาคา่อตัราขยายแรงดนั Av ของวงจรได้ถกูต้อง ทฤษฎ ี Differentiator Circuit Op-Amp คือวงจรใช้ไอซีออปแอมป์สร้างเป็นตวั Differentiator สญัญาณใดๆ ก็ได้ แสดงดงัรูปท่ี 3-1 โดยมี C เป็น Input Element และมี R1 เป็น Feedback Element

vout

-

+

vin

Rf

C

รูปที่ 3-1 วงจรดิฟเฟอเรนชิเอเตอร์ เบือ้งต้น

สมการของแรงดนัขาออก คือ 1....................../ TVCRV ifo

ซึง่เขยีนเป็นสมการคณิตศาสตร์ได้วา่ 2......................)(

)(

dt

tdvCRtv i

fo

จะพบวา่ เมื่อใช้ C เป็น Input Element จะมีผลตอ่ความถ่ีของสญัญาณขาเข้า เพราะคา่ cX นัน้เปลีย่นแปลงตามความถ่ีดงัสมการ fC2/1X

c

เมื่อ f = ความถ่ีของสญัญาณขาเข้า (Hz) C = คา่ของตวัเก็บประจ ุ (F) ถ้าเราพิจารณาวงจร Differentiator จะเห็นวา่ cX คล้ายกบัความต้านทาน 1R ของวงจร Inverting Amplifier ถ้าเปลีย่นแปลงไปจะเป็นผลให้ สญัญาณขาออก oV มีคา่เปลีย่นแปลงไปด้วย ในทางปฏิบตัิจึงใช้ความ ต้านทาน sR ตอ่อนกุรมกนั C เป็น Input Element เพื่อจ ากดัผลการเปลีย่นแปลงของความถ่ีสงู (High Frequency Gain) ดงัรูปท่ี 3-2

Page 17: การทดลองที่ 2 Op Amp Applications I ตอนที่ 1 Summing Amp ... 2 Ex 2 OpAmpApp I.pdf · 303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 3 ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า

303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 17

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา้ มหาวิทยาลยันเรศวร

vout

-

+

vin

Rf

CRS

รูปที่ 3-2 วงจรดิฟเฟอร์เรนชเิอเตอร์ที่สมบูรณ์แบบ

จากสมการ fC2/1Xc

เมื่อเพิ่มคา่ sR เข้าไปแล้ว คา่ของ sc RX ดงันัน้ความถ่ีอนิพตุของวงจร (fc) จึงมีคา่เทา่กบั 3.............................CR2/1f

sc

นัน่คือความถ่ีของสญัญาณขาเข้า จะมีคา่ได้ไมเ่กิน cf วงจรจึงท างานเป็นตวั Differentiate ได้ แตถ้่าความถ่ีของสญัญาณขาเข้ามคีา่มากกวา่

cf วงจรจงึจะท างานเป็น Inverting Amp ซึง่มี Voltage Gain

sfv

R/RA

สรุป ถ้า f < fc วงจรท างานเป็น Differentiator จะได้

dt

tdvCRtv i

fo

)()(

และ ถ้า f > fc วงจรท างานเป็น Inverting Amp จะได้ sfv

R/RA กรณีสญัญาณเข้ามาเป็น Sine Wave สมการของสญัญาณ Sine Wave จะได้ 4.................................sin)( tVtv pi

เมื่อ p

V Peak Voltage

ความเร็วเชิงมมุ (rad/s) f2

จากสมการท่ี (2) 5..........................)(

)(

dt

tdvCRtv i

fo

แทนคา่ (5) ลงใน (2) จะเห็นได้วา่ oV นัน้เปลีย่นแปลงไปตาม inV

tVdt

dCRtv pfo sin)(

5......................cos)( tCVRtv pfo จะเห็นได้วา่ถ้าปอ้นสญัญาณขาเข้าเป็น Sine Wave สญัญาณขาออกเป็น Function ของ Cos นัน้คือ จะมีเฟสของแรงดนัล้าหลงัสญัญาณขาข้า 90 องศา แสดงดงัรูปท่ี 3-3

Page 18: การทดลองที่ 2 Op Amp Applications I ตอนที่ 1 Summing Amp ... 2 Ex 2 OpAmpApp I.pdf · 303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 3 ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า

303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 18

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา้ มหาวิทยาลยันเรศวร

รูปที่ 3-3 เปรียบเทียบสัญญาณขาเข้ากับขาออกของวงจร Differentiator

เมื่อ Input เป็น Sine, Output เป็น Cosine กรณีสญัญาณเข้ามาเป็น Triangle wave (t1 = t2) ดงัรูปท่ี 3-4 ความถ่ีของสญัญาณ Triangle

7......................................11

21 Tttf

ดงันัน้ขนาดของแรงดนัเอาต์พตุสงูสดุคือ peakVo

8..................t

V2CRV

1

p

fpeako

0

0

+V

+V

-V

-V

V i

Vo

t

t

¶ 2¶

¶ 2¶

t1 t2

รูปที่ 3-4 เปรียบเทียบสัญญาณขาเข้ากับขาออกของวงจร Differentiator

เมื่อ Input เป็น Triangle, Output เป็น Square

Page 19: การทดลองที่ 2 Op Amp Applications I ตอนที่ 1 Summing Amp ... 2 Ex 2 OpAmpApp I.pdf · 303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 3 ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า

303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 19

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา้ มหาวิทยาลยันเรศวร

เคร่ืองมือและอุปกรณ์อุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลอง 1. มลัติมิเตอร์ 1 เคร่ือง 2. ออสซิลโลสโคป 1 เคร่ือง 3. IC OP-AMP เบอร์ 741 4. ความต้านทานท่ีใช้งานคา่ k22,k2.2 5. คาปาซิเตอร์ที่ใช้งานคา่ F0047.0 6. สายตอ่วงจร 1 ชดุ การทดลองตอนที่ 3 Differentiator Circuit สตูรค านวณเบือ้งต้น

1. Output Voltage: dt

tdvCRtv i

fo

)()(

2. Low Frequency Response : CR

fs

c2

1

3. เมื่อ f < fc

วงจรจะท างานเป็น Differentiator

f > f c วงจรจะท างานคล้ายกบั Inverting Amp โดยมีs

fv

R

RA

3.1 ตอ่วงจรตามรูปท่ี 3-5 ตัง้ออสซลิโลสโคปให้เห็นรูปกราฟได้อยา่งเหมาะสม เลอืกดสูญัญาณ AC

Rf 22kΩ

+12V

vo

741

-12V

4

72

3

6

-

+

vi

RS

2.2kΩ

C

0.0047μF

รูปที่ 3-5 Differentiator Circuit

4.2 ปอ้นสญัญาณอินพตุรูปคลืน่ Triangle Wave ให้ได้ความถ่ี 400Hz ขนาด 1 Vpp ใช้ Oscilloscope วดั

สญัญาณอินพตุและเอาต์พตุเปรียบเทียบกนั เลอืกดสูญัญาณ AC แล้วเขียนรูปคลืน่ท่ีได้ลงในตารางกราฟรูปท่ี 3-1

Page 20: การทดลองที่ 2 Op Amp Applications I ตอนที่ 1 Summing Amp ... 2 Ex 2 OpAmpApp I.pdf · 303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 3 ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า

303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 20

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา้ มหาวิทยาลยันเรศวร

ตารางกราฟรูปที่ 3-1

3.3 วดัคา่

oV ได้ =……………....

ppV

3.4 ค านวณคา่ Output Voltage จากสมการ

1

p

fpeakot

V2CRV

.................Vpeako

3.5 เปรียบเทียบคา่ทีว่ดัได้กบัคา่ที่ค านวณได้วา่แตกตา่งกนัอยา่งไร………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………….. 3.6 ทดลองใหมต่ัง้แตข้่อ 3.1 ถงึข้อ 3.5 เปลีย่นความถ่ีอินพตุให้มีคา่เทา่กบั 1kHz ตัง้ให้เห็นรูปกราฟได้อยา่งเหมาะสม เลอืกดสูญัญาณ AC แล้วเขียนรูปคลืน่ท่ีได้ลงในตารางกราฟรูปท่ี 3-2 และบนัทกึผล

1CH ............ V/Div 2CH ........... V/Div Time Base………..s/Div

Page 21: การทดลองที่ 2 Op Amp Applications I ตอนที่ 1 Summing Amp ... 2 Ex 2 OpAmpApp I.pdf · 303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 3 ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า

303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 21

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา้ มหาวิทยาลยันเรศวร

ตารางกราฟรูปที่ 3-2 ดงันัน้ ได้ V0 =………………………… VP-P

3.7 วดัช่างเวลาของสญัญาณเอาต์พตุ t1 = ………………..ms และ t2 =……………….ms

3.8 ค านวณคา่ Output Voltage จากสมการ

1

p

fpeakot

V2CRV

3.9 เปรียบเทียบคา่ทีว่ดัได้กบัคา่ค านวณวา่แตกตา่งกนัอยา่งไร............................................................................................................................................................................................................................................................................................

3.10 ทดลองใหมต่ัง้แตข้่อ 3.1 ถึง ข้อ 3.5 อีกครัง้ เปลีย่นความถ่ีอินพตุให้มีคา่เทา่กบั 20 kHz ตัง้ออสซิลโลสโคปให้เห็นรูปกราฟได้อยา่งเหมาะสม เลอืกดสูญัญาณ AC แล้วเขยีนรูปคลืน่ท่ีได้ลงในตารางกราฟรูปท่ี 3-3

1CH ............ V/Div 2CH ........... V/Div Time Base………..s/Div

1CH ............ V/Div

Page 22: การทดลองที่ 2 Op Amp Applications I ตอนที่ 1 Summing Amp ... 2 Ex 2 OpAmpApp I.pdf · 303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 3 ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า

303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 22

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา้ มหาวิทยาลยันเรศวร

ตารางกราฟรูปที่ 3-3

ดงันัน้ ได้ V0 =……………………….VP-P 3.11. วดัช่วงเวลาของสญัญาณเอาต์พตุ t1 =…………………..ms และ t2 =…………….ms

3.12. ค านวณคา่ Output Voltage จากสมการ

1

p

fpeakot

V2CRV

3.13. หาคา่ Voltage Gain จาก Av = - s

f

R

R = ………………………………

และ Av = i

0

V

V = ………………………………

3.15 เปรียบเทียบคา่ที่วดัได้ (Av = i

0

V

V ) กบัคา่ค านวณ (Av = -

s

f

R

R ) วา่แตกตา่งกนัอยา่งไร

...........................................................................................................................................................................

ค าถามท้ายการทดลอง

1. จากวงจรรูปท่ี 3-5 คา่ความถ่ี fc มีคา่เทา่ไร จงแสดงวิธีการค านวณ โดยละเอียด

Page 23: การทดลองที่ 2 Op Amp Applications I ตอนที่ 1 Summing Amp ... 2 Ex 2 OpAmpApp I.pdf · 303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 3 ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า

303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 2 23

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา้ มหาวิทยาลยันเรศวร

...........................................................................................................................................................................

...........................................................................................................................................................................

...........................................................................................................................................................................

2. ถ้าต้องการเปลีย่นแปลงคา่ความถ่ี fc ของวงจรจะท าอยา่งไร จงอธิบายพอเข้าใจ

...........................................................................................................................................................................

...........................................................................................................................................................................

...........................................................................................................................................................................

3. จากการทดลองในข้อ 3.10 เพราะเหตใุดเมื่อปอ้นแรงดนั Vi เป็น Triangle Wave จึงไมไ่ด้แรงดนั V0 เป็น Square Wave เหมือนกบัการทดลองในข้อ 3.6 จงให้เหตผุลตามสมควร .................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

สรุปและวิเคราะห์ผลการทดลอง ...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... ......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................