Sensoren Introductie Weerstandtechniek Brug van Wheatstone Basis Opamp schakelingen Opampschakelingen voor gevorderden

Transcriptie

1 Mechatronica/Robotica Mechanical Systems ELA Sensoren Sensoren Introductie Weerstandtechniek Brug van Wheatstone Basis Opamp schakelingen Opampschakelingen voor gevorderden Sessie 3: Gevorderdenschakelingen voor Opamps. Verschilversterker en (programeerbare) instrumentatie versterker Auteurs: M.J. Vermaning R.D.R Haas S.R.Jewan

2 Doel van de proef: In deze experimentenreeks gaan we kijken naar de werking van de opamp in diverse hoedanigheden. Zo zullen we verschillende versterkerschakelingen de revue laten passeren, maar ook andere typische schakelingen zullen worden bekeken. Relatie met de beroepspraktijk: In de moderne techniek wil men steeds nadrukkelijker overgaan op het verrichten van metingen ten behoeve van prestatie-monitoring onderhoudsintervallen etc. Voor het doen van de ze metingen maakt men gebruik van opamps om de (zeer) kleine signalen die veel sensoren uitgeven te versterken. Uitvoering van de proef: Voor de correcte werking van de opamps in de volgende schakelingen is het noodzakelijk een goede voeding aan de opamps aan te bieden. Dat doen we door gebruik te maken van de dubbele voeding (Delta, met twee paneelmeters) of, indien niet aanwezig twee enkele voedingen in serie. Zie uitleg vorig practicum. Stel de Delta s in op twee maal 15V, sluit de 0-terminal aan op de referentie van uw schakeling. Sluit de E- aansluiting aan op de min aan de rechterzijde van de opamp en de E+ aansluiting op de + van de opamp. Verschilversterker A * U U 1 2 A U U U out * R 1 = R 3 ; R 2 = R 4 In de techniek komt het maar al te vaak voor dat we twee signalen ten opzichte van elkaar bekijken (b.v. een temperatuurmeting in een ruimte t.o.v. een buitentemperatuur, om met het verschil verder te kunnen werken). Dat gebeurt dan met een verschilversterker zoals hiernaast weergegeven. 1a.Breng in dit voorbeeld met een multimeter de spanningsbronnen V1 en V2 op een waarde die ±0,8Volt uit elkaar liggen, en bekijk het resultaat van de uitgangsspanning. Uitgangsspanning: U = V Hoe groot is de versterking? Versterking: A = x. Wat is de verhouding van de weerstanden R2 en R1 (of R4 en R3). Verhouding: R2 =....x R1. 1b.Wijzig de weerstanden R1 en R3 achtereenvolgens van 1K in 2K2 en bekijk het resultaat. Uitgangsspanning: U = V. Versterking: A = x. De versterking is groter/kleiner. Verhouding van de weerstanden is nu: Verband tussen de versterking en de waarde van de weerstanden: A =

3 Schakelingen combineren Stel we willen de spanning versterken die de brug van Wheatstone geeft. Dat kan met de volgende schakeling: R3 10kOhm NTC 10kOhm P1 10kOhm 12V R4 10kOhm Multiturn R2 10kOhm R6 R5 R V OP V 6 R8 Opdracht: Bouw de brug van Wheatstone en breng de brug in evenwicht. Verwarm vervolgens de NTC en meet de spanning: U= mv Stel we willen een spanning van ongeveer 10V (aan de uitgang van de verschilversterker) als de NTC wordt verwarmd. Welke versterking moeten we nu kiezen? Versterking: x We kiezen 1 kω voor de weerstanden R5 en R7. Hoe groot moeten we nu R6 en R8 kiezen? R6=R8= kω. Bouw de bovenstaande schakeling en controleer of de schakeling werkt (dus dat de uitgangsspanning van de verschilversterker ongeveer 10V wordt). Het nadeel van bovenstaande schakeling is dat er een stroom gaat lopen van de brug van Wheatstone naar de verschilversterker. Door deze stroom krijgen we een onjuiste meting omdat daardoor de brugspanning verandert. Controleer dit: dus balanceer de brug (0 mv) zonder dat de verschilversterker is aangesloten en sluit daarna de verschilversterker aan. Blijft de brug gebalanceerd? Ja/nee Koppel de verschilversterker los en meet de stroom door weerstand R2: IR2 = ma. Meet ook de stroom door de NTC: INTC = ma. De stroom door weerstand R2 en de NTC zijn gelijk/ongelijk aan elkaar. Sluit nu de verschilversterker aan en meet opnieuw de stroom door R2: IR2= ma. Meet ook weer de stroom door de NTC: INTC = ma. De stroom door weerstand R2 en de NTC zijn gelijk/ongelijk aan elkaar. De stroom door de weerstanden van de brug van Wheatstone verandert door het aansluiten van de verschilversterker (je hebt gemerkt dat de stroom door weerstand R2 en de NTC niet meer gelijk aan elkaar zijn) en daardoor verandert de spanning over deze weerstanden en daardoor dus de brugspanning.

4 Voor een juiste meting moeten we ervoor zorgen dat de brugspanning wordt doorgegeven aan de verschilversterker maar dat er geen stroom gaat lopen naar de verschilversterker. Dat kan door twee spanningsvolgers tussen de brug van Wheatstone en de verschilversterker te plaatsen: Deze schakeling van spanningsvolger en verschilversterker heet een instrumentatieversterker en is in dit practicum beschikbaar als een component met 6 aansluitingen: 3x voeding (+Vcc, Vcc en GND), twee ingangen (+Vin en Vin) en een uitgang (Vout): LET OP: Door een productiefout zijn de aanduidingen van Vin en +Vin op de module verwisseld!!! Gebruik de aansluitingen zoals hieronder weergegeven!!!!!!! Vout, de uitgangsspanning van de instrumentatieversterker. LET OP: hier hoeft dus geen terugkoppeling te worden gemaakt! GND, referentie van de voedingsspanning en digital ground +Vcc, positieve voedingsspanning (t.o.v. de GND) bij ons meestal +15V -Vcc, negatieve voedingsspanning (t.o.v. de GND) bij ons meestal -15V -Vin, de inverterende ingang van de instrumentatieverster ker. +Vin, de nietinverterende ingang van de instrumentatieversterker

5 PGA202 A1 A0 GAIN ERROR % Switch set Er kunnen 4 versterkingen worden ingesteld (1x, 10x, 100x en 1000x) met behulp van de twee switches: % % % Opdracht: Sluit de instrumentatieversterker aan op de brug van Wheatstone en stel met de switches een versterking in zodat de uitgangsspanning van de instrumentatieversterking een waarde krijgt tussen 1V en 10V als de NTC wordt verwarmd. Verwarm de NTC en meet de spanning aan de uitgang van de instrumentatieversterker: U = V Onderzoek de schakeling en beantwoordt de volgende vragen: Loopt er een stroom naar de instrumentatieversterker? Verandert de stroom door de weerstanden van de brug van Wheatstone nadat de instrumentatieversterker is aangesloten? Verandert de brugspanning als de instrumentatieversterker wordt aangesloten?