DEPARTEMENT INDUSTRIELE WETENSCHAPPEN EN TECHNOLOGIE

1 DEPARTEMENT INDUSTRIELE WETENSCHAPPEN EN TECHNOLOGIE Campus Oostende Zeedijk 101 8400 Oostende Tel. 059 56 90 00 fax 059 56 90 01 Professionele Bachelor Elektromechanica Luchtvaart Lab Elektronica 1 L. Demeersseman

2

3 Lab1 De Diode Benodigdheden: - E12-Weerstandenreeksen 0,25W - Diode 1N4148-2 weerstanden van 27Ω, 1Watt Voorbereiding: * Bestudeer de theorie van de diode (Karakteristiek, invloed van de temperatuur, ) * Ga de gegevens na van de gebruikte diodes. ( Si-diode: 1N4148) - de gelijkstroom die door de diode vloeit (I D of I F ) en de bijhorende spanning (U D of U F ) - de maximale gelijkstroom die continu door de diode mag vloeien. I Dmax of I Fmax (zie "ratings"). -de maximum inverse spanning 1.1. De diode De diode heeft een anode en een kathode. Algemene regel om de twee aansluitingen te onderscheiden is dat de kathode de gemerkte zijde is. Dit merkteken kan een ring zijn, een afronding, een andere kleur,. De andere zijde is de anode. Ga na voor de aangekochte component welke de anode, welke de kathode is. 1.2. Opmeten van de spanning-stroom karakteristiek.(voorwaarts*) a. Met een voorschakelweerstand De weerstand van een diode kan niet met een ohmmeter bepaald worden, gezien deze weerstands-waarde niet constant is. De weerstandswaarde is namelijk afhankelijk van de aangelegde spanning. Wanneer we de spanning over de diode en de stroom door de diode uitzetten in een XY-assenstelsel bekomen we de diodekarakteristiek. Uit de diodekarakteristiek kunnen we de weerstand berekenen door de verhouding te maken tussen spanning en stroom. Meetopstelling: Figuur 1.1** De stroom in de diode kan eventueel gemeten worden door de spanning te meten over R en te delen door de juiste weerstandswaarde (opmeten met ohmmeter!) Fig. 1.1

4 * Beredeneer en bereken voor figuur 1.1 de waarde en het vermogen voor de weerstand R. Tip1: R moet zo groot mogelijk zijn teneinde de spanning over D fijn te kunnen regelen. Tip 2: R mag niet te groot genomen worden, aangezien deze weerstand ook moet doorlopen worden van de diodestroom. Het vermogen moet m.a.w. beperkt blijven! Maak desnoods een parallelschakeling om het vermogen te verdelen. Duid de polariteit van de toestellen aan. Waarom wordt er hier geen weerstand meer geplaatst? Meet de karakteristiek op als volgt: ΔU D = 100mV tot I D = 1mA ΔI D = 1mA van 1mA tot 5mA ΔI D =5mA van 5mA tot 25mA ΔI D = 25mA van 25mA tot 150mA Teken uit met Excel! *: We meten enkel het voorwaartse gedeelte van de karakteristiek: dwz.: Positieve spanning en stroom ** We maken hier een meetfout want de gemeten stroom is niet de stroom door de diode! Deze fout is echter klein gezien de weerstand van de voltmeter zeer groot is t.ov. de weerstand van de diode. Teken de diodekarakteristiek. Plaats hierop de gegevens (ook de karakteristiek) die je krijgt van de fabrikant. Vergelijk al die gegevens met je metingen en bespreek. Teken het verloop van de weerstand van de diode in functie van de spanning. Bespreek. b. Met een stroombron. Duid de polariteit van de toestellen aan. Geeft de weerstand van de A- of de V-meter hier aanleiding tot meetfouten? Leg uit. Moet je de schakeling aanpassen? Wanneer? Leg uit. Wat zegt de fabrikant en de theorie over de temperatuursinvloed? Schakel de diode rechtstreeks op een stroombron en meet de stroom met een A-meter, de spanning met een V-meter. Teken de opgemeten karakteristiek en vergelijk met de vorige. c. Invloed van de temperatuur. Ga de invloed na van de temperatuur op de karakteristiek. Plaats een warme soldeerbout bij de diode en meet een aantal punten opnieuw op. Besluit wat er gebeurt. Hoeveel bedraagt de temperatuurscoëfficient?

5 Hoe kan je voor een gegeven schakeling grafisch de stroom door en de spanning over een diode bepalen? Teken voor fig. 1.2 en 1.3 de belastingslijnen (merk op: dat werd bij elektriciteit de bronkarakterisitiek genoemd) op de grafieken die je in meting 1.2 gemaakt hebt. Indien je die meting nog niet hebt gemaakt, pas je dit toe op een geïdealiseerde diode. Dat betekent dat de stroom door de diode als hij nog niet geleidt nul is (I D = 0) en dat de spanning over de diode zodra deze geleidt 0,7V blijft.. Lees op de grafiek de instelpunten af. Dat is het snijpunt tussen beide krommen. Hoeveel stroom zal er vloeien in de diode en hoeveel spanning zal er staan over de diode? Hoeveel stroom en spanning zal je hebben door en over elke weerstand? Bereken hiermee het vermogen dat zal vrijkomen in elke weerstand R. Hou rekening met dat vermogen om de juiste R(- schakeling) te solderen! 1.3. Controlemetingen Opgave 1: Instelling met een spanningsbron (figuur 1.2 Controleer het instelpunt (U D, I D ) dat je bepaalde in de voorbereiding voor de schakeling in figuur 1.2. E = 6V; R=68 ; Silicium diode 1N4148 Fig. 1.2 Indien nodig maak je de benodigde serie- en of parallelschakeling om het nodige vermogen te verdelen over meerdere weerstanden. Vergelijk de meting met je voorbereiding en bespreek de afwijkingen. Zijn ze toegelaten/aanvaardbaar? Waarom? Opgave 2: Instelling met een stroombron (figuur 1.3) Controleer het instelpunt (U D, I D ) dat je bepaalde in de voorbereiding voor de schakeling in figuur 1.3. Fig. 1.3 I = 150 ma; R = 68 Si-diode 1N4148 Vergelijk de meting met je voorbereiding en bespreek de afwijkingen. Zijn ze toegelaten/aanvaardbaar? Waarom?

6 Lab2 Diodeschakelingen Benodigdheden: - E12-Weerstandenreeksen 0,25W - 4 Dioden 1N4148 - Condensatoren: 100pF, 47nF, 10µF,100µ F Voorbereiding: Waarom moet de uitgangsweerstand van een generator zo laag mogelijk zijn? Wanneer is in fig.2.1 e gen =u gen Vooraf: Uitmeten van de uitgangsimpedantie van de laagfrequent-generator. (figuur 2.1) Uitgangsweerstand e gen u gen url RL = 50 Fig. 2.1 Regel de spanning van de generator op een amplitude van 5V onbelast. (frequentie vb. 1kHz). Meet die spanning. Belast nu de generator met een weerstand van 47Ω. Meet opnieuw de spanning. Hoeveel is de klemspanning gedaald? Verklaar? Bepaal aan de hand van deze metingen de uitgangsweerstand van de generator Schets het verloop van de uitgangsspanning in geval van een ideale diode. (met drempelspanning van 0,7V) 1. De enkelzijdige gelijkrichter. (figuur 2.2) 50 1N4148 IRL Egen Ugen RL URL Fig. 2.2

7 R L = 10k E gen = 3.sin2π1000t (f=1khz) E gen = de onbelaste spanning, zorg dat de offset = 0V. Neem de klemspanning U gen en de belastingsspanning U R terzelfdertijd op. Doe dit steeds in de stand 'DC' van de oscilloscoop. Vergelijk de opgenomen signalen met deze van de ideale gelijkrichter en bespreek de verschillen. Voer dezelfde meting uit met een weerstand R L van 100 Ω. Regel de amplitude van de generator niet bij. Verklaar de verschillen. Hoe wordt theoretisch de waarde van de rimpel bepaald? 2. Enkelzijdige gelijkrichter met afvlakcondensator. (figuur 2.3) 50 1N4148 IRL Egen Ugen C RL URL Fig. 2.3 R L = 10k E gen = 3.sin2π1000t (f=1khz) C = 47nF * Wat gebeurt er met de rimpel als de frequentie = 100 Hz, als de frequentie = 1kHz? * Wat gebeurt er met de rimpel als de weerstand = 1k, als de weerstand = 100k? * Wat gebeurt er met de rimpel als de condensator = 100 pf, als de condensator = 1µF? M.O.: Om de waarde van een kleine rimpel af te lezen plaats je de oscilloscoop in de stand 'AC'. Meet de stroom in de condensator. Plaats hiervoor een weerstand van 1 Ω in serie met de condensator en oscillografeer de spanning over deze weerstand. Doe deze meting bij een f = 1kHz, C = 2,2µF en R = 10k.

8 Teken het verloop van de stroom gedurende positieve en negatieve alternantie. Welke diodes zijn er dan in geleiding en in sper. Waarom? Schets het verloop van de uitgangsspanning in geval van een ideale diode (dus zonder drempelspanning). Wat zal het gevolg zijn als er over de diode, in geleiding, een constante spanning staat van 0,7V (= geïdealiseerde diode)? Simuleer de schakelingen met LTSpice Ga de noodzaak na van het gebruik van een scheidingstrafo. 3. Dubbelzijdige gelijkrichting. (figuur 2.4) Egen Fig. 2.4 Ugen D1 D3 Om het massaprobleem te omzeilen, zullen we de spanning toevoeren via een scheidings-transformator (1:1). (Trafo ter beschikking in het lab). Voer dezelfde metingen uit als bij de enkelzijdige gelijkrichting. Plaats vervolgens een condensator in parallel met de weerstand en onderzoek de gelijkrichting die je daardoor bekomt. Voer dezelfde metingen uit als bij de enkelzijdige gelijkrichting met afvlakcondensator. D2 D4 RL URL Hoe wordt theoretisch de waarde van de rimpel bepaald? Bereken de rimpel voor elk van de op te meten schakelingen. Simuleer elke schakeling met LTSpice

+ + + 9 4. De spanningsvermenigvuldiger. Test de schakeling trapsgewijze uit! Bronspanning: 16Vptp, 1kHz C1 100µF/25V D1 Simuleer de schakelingen, zowel onbelast als belast met R. Merk op dat je in de simulatie geen transformator moet plaatsen omdat deze er enkel staat om alle spanningen te kunnen meten. Leg dat uit. Bekijk alle spanningen die voorkomen in de schakeling en leg aan de hand hiervan de werking uit van de schakelingen. Bepaal het vermogen dat in de weerstand R zal vrijkomen. Meet alle spanningen op. Duid in je verslag de zin van de opgemeten spanningen aan. Verklaar de werking van de schakeling. Welke verschillen tref je aan ten opzichte van de voorbereiding? Verklaar dat. Belast nu de diode met een volgende trap (zie hieronder). Heeft dat gevolgen voor op de spanningen die je hiervoor hebt opgemeten? Toon aan met metingen en verklaar? C1 100µF/25V D1 D2 Soldeer vooraf de schakeling zo dat je trap per trap kunt inschakelen. Let op de polariteit van condensatoren en dioden C2 100µF/25V Meet ook de spanningen over C2 en D2. Duid de spanningszin aan op de tekening. Verklaar de opgemeten spanningen. Zijn er verschillen met de theorie en met de simulatie? Welke? Verklaring? Plaats nu 2 extra trappen aan de schakeling. Meet de spanningen die hierin voorkomen en leg de werking uit. Vergelijk met de theorie en de simulatie. Herken je in deze schakeling een soort herhaling? Hoe komt dat? Waarom noemt men deze schakeling een spanningsvermenigvuldiger? Leg dat uit.

+ + + + 10 Belast vervolgens de schakeling met de weerstand R van 10k. C1 C3 100µF/25V 100µF/25V D1 D2 D3 D4 C2 C4 100µF/25V 10k 100µF/25V R Simuleer de schakeling en teken het in- en uitgangssignaal. Verklaar de werking van de schakeling. Wat gebeurt er als je de spanningen wijzigt? Wat zou er gebeuren zonder D1 en D2 (dus als je de dioden vervangt door een draad)? Fig. 2.5 Wat gebeurt er met de klemspanning van de generator? Verklaar dat. Vergelijk met de simulatie. Idem voor de spanningen over de condensatoren, de spanningen over de diodes en de spanning over de weerstand. 5. "Clipper" schakeling e D1 D2 E R Stel de waarheidstabel op van een AND-poort en een OR-poort. Bepaal voor elke schakeling en voor elke ingangstoestand welke diode geleidt en welke uitgangsspanning je mag verwachten. Leg uit. Fig. 2.6 Meet het signaal dat je bekomt over de belasting R=10k voor e = 5.sin(2π1000t) V en E = 3V Bespreek en verklaar. Wat is de functie van D1, D2? 6. Logische funkties met dioden Vervolledig de waarheidstabel en bepaal zo welke functie uitgevoerd wordt m.b.v. dioden. Neem als H-niveau = 5V, een L-niveau = 0V Schakeling 1:

11 D1 E1 D2 E2 R 1k uout Fig. 2.7 E1 E2 u out [V] L L L H H L H H Uitgang (H of L) Vergelijk met je voorbereiding. Schakeling 2: VCC=5V D2 R 1k DIODE D3 E1 E2 uout Fig. 2.8 E1 E2 u out [V] L L L H H L H H Uitgang (H of L) Vergelijk met je voorbereiding.

12 Lab3 De Zenerdiode Benodigdheden: - E12-Weerstandenreeksen 0,25W - Condensatoren: 100pF, 47nF, 1µF, 2,2µF - 1 Zenerdiode BZX85/C5V6 Voorbereiding: Wat is het gedrag van een zenerdiode in doorlaat en in sper? Bereken voor de gegeven zener de maximum zenerstroom zowel in doorlaat(i Fmax ) als in sper (I Zmax). Houd hier rekening met het maximum vermogen en de(nominale) zenerspanninng. Vergelijk met de gegevens van de fabrikant. Hoe bepaal je R S en R D? Bij welke waarde van R zal de schakeling in fig.3.1 nog stabiliserend werken? Wat is de minimum weerstandswaarde R min en de maximumum weerstandswaarde R max. Welke zijn de twee stabilisatiefaktoren bij deze uiterste R-waarden? 1. De zenerkarakteristiek. Als zenerdiode gebruiken we BZX85/C5V6: P max = 1,3W, U z = 5,6V. Meet de karakteristiek op, werk hierbij met een stroombron. Doe de meting tot 90% van I zmax. Onderzoek in een aantal punten de invloed van de temperatuur op de zenerkarakterisitiek. Teken de zenerkarakteristiek. Bepaal bij 10% en 90% van I zmax de statische weerstand R s en de dynamische weerstand R D van de diode. 2. Instelling van de zenerdiode. Opgave 1: Fig. 3.1 Bepaal het instelpunt voor een R-waarde van 220Ω. (door tekenen van de bronkarakteristiek of belastingslijn). Controleer door meting. Vergeet niet de vermogensdissipatie in de weerstand na te gaan!! Hoe zit het met de stabilisatie van de zenerdiode. Controleer door meting. (Leg een sinusvormig signaal met een amplitude van 1V en een offsetspanning van 10V aan en meet de rimpel over de zenerdiode). R Iz 20V Uz BZW85/C5V6 Fig. 3.1

13 Opgave 2: It R 20V Iz Uz RL 470 Bij welke waarden R min en R max van R zal de schakeling in figuur 3.2 nog stabiliserend werken. Bereken deze waarden. Bepaal het instelpunt voor een R-waarde van 220Ω. Bereken dit punt en bepaal dit ook grafisch door het tekenen van de belastingslijn of bronkarakteristiek. Bepaal het vermogen gedissipeerd in beide weerstanden Fig. 3.2 Ga de instellingen na door opmeten van spanningen en stromen. Opgave 3: (theoretisch) Bereken voor de schakeling in figuur 3.3 de minimum en maximum waarde van R opdat de schakeling nog stabiliserend zou werken, zowel voor open als voor gesloten schakelaar. Deze schakeling moet niet uitgemeten worden. It S 1 2 R 15V Iz Uz RL 470 R1 68 Fig. 3.3 Noot: Opmeten Zenerkarakteristiek met oscilloscoop. Kies de gepaste secondaire spanningen. De weerstand van 1k bepaalt de stroom in de zener (vb. 16/1k = 16mA) 1) Display : format XY 2) CH2/menu/ Invert ON Temperatuursgedrag nagaan:

14 220V/50Hz 2 4 10 12 9 7 8V 8V 1k - ID (-Ch2) 0 UD (Ch1) M.O:Scoopinstellingen voor de digitale scopen uit B204) 3) Display/Persist/infinite Raak met de soldeerbout de kathode aan om op te warmen. De junctietemperatuur kan als volgt berekend worden: 200mV Vb. ΔU D = 200mV: T j = 25 C+ 2mV C = 125 C

15 Lab4 De transistor Benodigdheden: - E12-Weerstandenreeksen 0,25W - Condensatoren: 2x100µF - 1 Transistor BC547B -Zoek de gelijkstroomversterkingsfaktor h FE of β op in de gegevens van de fabrikant. -Bereken de waarden R B en R C zodat I C = 10mA 1. Instelling met basisweerstand 1.1. De DC-instelling U CC en U CE = = 10V. 2 Rond af naar E12-waarden. Wat wordt het nieuwe instelpunt tengevolge van de weerstandsafronding? RB RC VCC=20V IC BC547B IB UCE -Waarom wordt U CE = U CC 2 genomen? Fig. 4.1 0 Transistor BC547B -Bouw het schema en meet de DCinstelling: U BE, U CE, U RC, U RB. Bereken de stromen (I C en I B ) uit de gemeten spanningen. -Welke invloed ondervindt de schakeling door temperatuurstijging. Verwarm de component met een soldeerpunt op 1 cm afstand. Wat gebeurt met U BE, U CE? 1.2. AC-gedrag van de schakeling Om een AC-signaal toe te voeren of af te takken maakt men gebruik van koppelcondensatoren.

16 VCC=20V Zoek de parameters op voor het vereenvoudigde h-model. Bereken de versterking m.b.v. het vereenvoudigde h-model M.O: De parameters zijn vermeld voor een I c = 2mA. Maak gebruik van de grafiek relatieve parameters om te herrekenen naar I c = 10mA. De invloed van U CE is verwaarloosbaar. - Bereken de theoretische wisselspanningsversterking (A v ) van de schakeling. Hoe groot moet de amplitude van het ingangssignaal zijn, opdat de amplitude van het uitgangssignaal 2V zou bedragen? ui CB + Fig. 4.2 RB IB,ib BC547B R L = 100k, C B = C C = 100uF RC IC,ic 0 CC + UCE,uce RL -Controleer of de DC-instelling echt niet beïnvloed wordt door het bijplaatsen van de condensatoren. Meet de DC-spanning over R L. Verklaar. -Bereken de theoretische wisselspanversterking (A u ) van de schakeling. Hoe groot moet de amplitude zijn van het ingangssignaal (U im ), opdat de amplitude van het uitgangssignaal (U om ) 2V zou bedragen? -Voer dit signaal (u i ) toe met een frequentie van 1kHz. Regel de amplitude van het ingangssignaal (U im ) zodat de amplitude van het uitgangssignaal (U om ) = 2V. Vergelijk beide signalen op de scoop. Wat stel je vast. Bereken de spanningsversterking. -Verander de DC-offset van het ingangssignaal, wat gebeurt er met het uitgangssignaal en met u be. Bekijk dit met de scoop. Wat is de funktie van C B en C C. Invloed van de tegenkoppeling: Om je een beeld te kunnen vormen van het effect van de tegenkoppeling moet je R c vervangen door een weerstand die 2 "E-12" waarden groter is dan de berekende waarde. Meet opnieuw de DC-instelling op. Dit resultaat moet je dan vergelijken met de resultaten van de 2 volgende metingen! -Bereken de waarden R B1,R B2 en R C zodat I C = 10mA en U CE = V cc /2 = 10V. Rond af naar E12-waarden. Wat wordt het nieuwe instelpunt tengevolge van de weerstandsafronding? 2. Instelling met spanningstegenkoppeling. Gebruik voor de berekeningen dezelfde parameters als deze die je bij de vorige berekeningen opzocht. Maak geen gebruik van opgemeten waarden!

17 2.1. DC-instelling. VCC Rc RB1 Cc CB 100uF 100uF U RB2 RL Fig. 4.3 U cc = 20V,R L = 100kΩ,C B = C C = 100µF - Bouw het schema en meet de DC-instelling: U BE, U CE, U RC, U RL, U RB1 en U RB2. Bereken de stromen I C en I B uit de gemeten spanningen. - Bereken de gelijkstroomversterking (h FE ). - Vergelijk berekende en gemeten waarden. - Hermeet het instelpunt (U CE, I C ) met een soldeerpunt op ongeveer 1cm afstand van de transistor. Vergelijk met het resultaat zonder tegenkoppeling. Bereken de versterking m.b.v. het vereenvoudigde h-model. Hoe groot moet de amplitudede van het ingangssignaal zijn opdat de amplitude van het uitgangssignaal 2V zou bedragen? 2.2. AC-gedrag. - Voer het signaal u i toe met een frequentie van 1 khz. Regel de amplitude U im zodat de amplitude U RL =2V. Vergelijk u i en u o samen op de scoop. Wat stel je vast? Bereken de spanningsversterking.meet nu het in- en uitgangssignaal op met het digitaal toestel (stand AC).Waarom verschillen de opgemeten waarden? Bepaal opnieuw de spanningsversterking.vergelijk met de berekende versterking.

+ + 18 - Bereken R B1, R B2 en R C zodat I C = 10 ma en U C = U CC /2 = 10V.Stel I B1 = 11.I B Rond af naar E12-waarden. Merk op dat U C = U CE + U RE. Waarom wordt er nu een kleinere waarde gekozen voor U CE. - Wat wordt het nieuwe instelpunt tengevolge de weerstandsafronding? Om dit te vinden stel je best het Thevenin equivalent op van de instelschakeling. Enkel U BE blijft 0,65V. De stroom door R B1 zal niet meer 11 keer de stroom I B zijn. 3. Instelling met stroomtegenkoppeling. Fig. 4.4 ui CB IB1 IB2 RB1 RB2 IB,ib VC VCC RC RE CC IC,ic U CC = 20V,R L = 100kΩ,C B = C C = 100µF,R E = R C /10 UCE RL url 3.1. DC-instelling. - Bouw het schema en meet de DC-instelling: U BE, U CE, U RC, U RL, U RB1 en U RB2. Bereken de stromen I C en I B uit de gemeten spanningen. - Bereken de gelijkstroomversterking (h FE ). - Hermeet het instelpunt (U CE, I C ) met een soldeerpunt op ongeveer 1cm afstand van de transistor. Vergelijk met het resultaat zonder tegenkoppeling.

+ + 19 3.2. Het AC-gedrag. -Bereken de theoretische versterking (A v ) van de schakeling. Hoe groot moet de amplitude van het ingangssignaal zijn, opdat de amplitude van het uitgangssignaal 2V zou bedragen? - Voer het signaal u i toe met een frequentie van 1 khz. Regel de amplitude U im zodat de amplitude U RL =2V. Vergelijk u i en u o samen op de scoop. Wat stel je vast? Bereken de spanningsversterking. Meet nu het in- en uitgangssignaal op met het digitaal toestel (stand AC). Waarom verschillen de opgemeten waarden? Bepaal opnieuw de spanningsversterking. Vergelijk met de berekende versterking. 3.4. Invloed van de ontkoppelcondensator over R E. VCC RB1 RC IB1 CB IB,ib VC CC IC,ic UCE RL url IB2 ui RB2 RE + CE Fig. 4.5 CB, CC, C E = 100µF - Welke invloed heeft dit op de DC- instelling?. - Welke invloed heeft dit op de AC- versterking?

7 4 V+ V- 20 Lab 5 De opamp Benodigdheden: - E12-Weerstandenreeksen 0,25W - Opamp 747 - Condensatoren: 100pF, 47nF, 1µF, 2,2µF - 2 Dioden 1N4148 Voorbereiding: Hoe maakt men een nietinverterende versterker? Teken de schakeling. Hoe bepaalt men de gesloten lusversterking (A CL ) van zo'n schakeling? Waarom spreekt men van "niet-inverterende" versterker? Bepaal de twee weerstanden die nodig zijn om een versterking van 11 te bekomen? Kies ze uit de E- 12 reeks, met een waarde van enkele kω. Hoeveel moet de ingangsspanning zijn opdat de uitgang 10V zou bedragen? Soldeer de schakeling. 1. Niet inverterende versterker. Metingen. De symmetrische voeding voor de opamp maken we als volgt: - + +15V -Vcc Fig. 5.1-15V - + +15V massa +Vcc R2 R1 2 ua741 3 - + OUT 6 uin uout +15V Fig. 5.2 Leg aan de ingang van de schakeling(=uin) schakeling 0 V aan (klem 3 verbinden met massa). Meet de uitgangsspanning. Leid hieruit de offsetspanning van de opamp af. Is het nodig om een

7 4 V+ V- 21 Wat is de "Slewing Rate" van een opamp? Zoek op in de gegevens van de fabrikant. offset-schakeling te voorzien? Leg aan de ingang een sinus aan met een amplitude zodat de amplitude van de uitgangsspanning 10V zou bedragen. Meet beide spanningen met oscilloscoop en het digitale meettoestel en bepaal de spanningsversterking. Vergelijk met de theoretische berekening. Ga na welke de invloed is van de frequentie op de spanningsversterking. Verhoog de frequentie met een decade (1, 10, 100,1k,10k,100k..)en bepaal telkens de spanningsversterking. Vanaf welke frequentie treedt er vervorming op? Leg aan de ingang een blokgolf aan. Bepaal de slewing rate van de opamp en vergelijk deze met de gegevens van de fabrikant. Hoe maakt men een inverterende versterker? Teken de schakeling. Hoe bepaalt men de gesloten lusversterking (A CL ) van zo'n schakeling? Waarom spreekt men van "inverterende" versterker? Bepaal de twee weerstanden die nodig zijn om een versterking van - 10 te bekomen? Kies ze uit de E-12 reeks, met een waarde van enkele kω. Hoeveel moet de ingangsspanning zijn opdat de uitgang 10V zou bedragen? 2. De inverterende versterker. Metingen: uin R1 Fig. 5.3 ua741 2-3 + -15V +15V OUT R2 6 Leg aan de ingang van de schakeling 0 V aan (verbinden met massa). Meet de uitgangsspanning. uout Leid hieruit de offset-spanning van de opamp af. Is het nodig om een offset-schakeling te voorzien? Leg aan de ingang een gelijkspanning aan opdat de uitgangsspanning 10V zou bedragen. Meet beide spanning op met oscilloscoop en het digitale meettoestel en bepaal de spanningsversterking. Vergelijk met de theoretische berekening.

7 4 V+ V- 7 4 V+ V- 22 Bepaal voor de schakeling het verband tussen ingangsspanningen U 1 en U 2 en de uitgangsspanning. Bewijs door superpositie toe te passen. 3. Toepassingen. 3.1. De sommator. R1 R2 u1 u2-15v R3 ua741 2-6 OUT 3 + uo +15V Fig. 5.4 R 1 = 3k9 R 2 = 2k2 R 3 = 5k6 Leg aan de ingangen van de schakeling volgende spanningen aan: u 1 = 1V u 2 = 2 sin(2π1000t)v. Bereken de waarde van de uitgangsspanning. Maak de schakeling, meet de uitgangsspanning u o en vergelijk dat met je berekening.. 3.2. Trapsspanningsgenerator. C2-15V Ga de werking na van volgende schakeling. Bereken de condensator C1 in funktie van de stapgrootte van de generator. uin C1 D1 D2 ua741 2 - OUT 3 + +15V 6 uout Fig. 5.5 Neem als ingangssignaal een blokvormige spanning van 3V ptp en een voldoende lage frequentie (vb. 100Hz). Meet het uitgangssignaal en vergelijk met de berekeningen. Wat gebeurt er als C2 volledig opgeladen is? Hoe kan de cyclus opnieuw starten? Neem voor C1 en C2 twee condensatoren waarvan de verhouding van de capaciteit = 10.

7 4 V+ V- 23 Hoe bepaalt men de in- en uitschakelspanning van de Schmitttrigger? Bepaal de weerstanden om in te schakelen bij "+3V". Wat gebeurt er met de uitgangsspanning? Teken de uitgangsspanning in funktie van de ingangsspanning? Hoe slaagt men erin de in- en uitgangsspanning asymmetrisch te plaatsen t.o.v. 0 Volt. Bepaal de uitbreiding die nodig is om in te schakelen bij "+8V" en uit te schakelen bij "+2V". 3.3. De Schmitt-Trigger. -15V ua741 2-6 OUT 3 + uin +15V R1 Fig. 5.6 Bereken de weerstanden voor in- en uitschakelen bij +3V en -3V. Soldeer de schakeling. Plaats een potentiometer van 10kΩ om de uitgangsspanning af te takken en terug te koppelen naar de nietinverterende klem. Meet van de schakeling de uitgangsspanning in funktie van de ingangsspanning. (=hysteresis). Plaats hiervoor de scoop in "XY-mode". Bepaal telkens de in- en uitschakelpunten, evenals de hysteresis. Welke invloed heeft de frequentie op het uitgangssignaal? 3.4. De niet-inverterende Schmitt- Trigger (zoek schema van een niet-inverterende ST en verklaar de werking a.d. hand van een tijdsdiagramma)

24 Lab6 Logische poorten 1. Theoretische voorstudie In deze oefening gaan we de werking na van enkele basisschakelingen uit de digitale technieken. We zullen daarbij gebruik maken van funkties en eigenschappen uit de Boole-algebra. Een voorbeeld van een Booleaanse funktie is de AND-funktie: A en B zijn de ingangsveranderlijken: Q is de uitgangsveranderlijke. Deze veranderlijken kunnen slechts twee waarden aannemen, nl.: 0 en 1. De waarde van Q die met een bepaalde combinatie van A en B overeenstemt, kan uit de waarheidstabel afgeleid worden. Voor een AND-funktie geldt de volgende tabel: Q = A.B A B Q 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 Een AND-funktie is dus alleen logisch 1 wanneer beide ingangsveranderlijken logisch 1 zijn. De OR-funktie: Q = A + B A B Q 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 De OR-funktie is logisch 1 wanneer minstens één ingangsveranderlijke logisch 1 is. De NOT-funktie: Q = A A Q 0 1 1 0 De uitgangsveranderlijke is het tegenovergestelde van de ingangsveranderlijke.

25 De NAND-funktie: Q = A. B A B Q 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 Een NAND-funktie wordt verkregen door een AND-funktie te inverteren. (nand is de samenvoeging van not en and). NOR-funktie: A B Q 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 Een NOR-funktie wordt verkregen door een OR-funktie te inverteren (NOR is de samenvoeging van NOT en OR). EXOR-funktie: Q = A 0 B A B Q 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 Een EXOR-funktie is alleen logisch 1 wanneer slechts één enkele ingang logisch 1 is (EXOR = exclusieve OR). EXNOR-funktie: Q = A 0 B De EXNOR-funktie wordt verkregen door een EXOR-funktie te inverteren. De elektronische schakelingen die de bovenstaande Boolese funkties realiseren, worden logische poorten genoemd. Ze worden symbolisch als volgt voorgesteld.

26 Fig.6.1 Praktisch kunnen al deze poorten in verschillende technologieën uitgevoerd worden (TTL,CMOS,ECL,...). In deze oefening zullen we enkel gebruik maken van TTL-logica. De logische waarden 0 en 1 stemmen dan (theoretisch) overeen met resp. 0 en 5V. 1. Opgaven 2.1. De Nand-poort (TTL- IC7400) Bepaal uit de technische gegevens van dit IC, de parameters V ILmax, V IHmin, V OLmax, V OHmax V ILMAX = de maximale ingangsspanning die nog als een logische 0 kan beschouwd worden. V IHMIN = de minimale ingangsspanning die nog als een logische 1 kan beschouwd worden. V OLMAX bij I OLMAX maximale uitgansspanning bij een logische uitgang 0. Hierbij moet de waarde van de stroom gespecifieerd worden die door de uitgang van de poort opgenomen wordt. Wanneer de uitgang van een poort logisch 0 is, dan leveren de poorten die eraan verbonden zijn, elk een stroom van 1,6mA. Aangezien een TTL-poort maximaal 10 poorten kan sturen ("fan-out" = 10) zal de maximaal opgenomen stroom bij een logische 0, 16 ma bedragen. V OHMIN bij I OHMAX = de minimale uitgangsspanning bij een logische uitgang 1. (Hierbij moet de waarde van de stroom gespecifieerd worden die door de uitgang van de poort geleverd wordt). Wanneer de uitgang van een poort logisch 1 is, dan levert die poort een bepaalde stroom aan de poorten die eraan bevestigd zijn ( -40µA/poort). Aangezien de fan-out van een

27 poort gelijk is aan 10, zal de maximaal afgeleverde stroom bij een logische 1, -400µA bedragen. Het min-teken duidt enkel aan dat de stroom door de poort geleverd wordt. I ILMAX = maximale stroom die bij een logische 0 door de ingang van een poort aan een vorige poort geleverd wordt. I IHMAX = maximale stroom die bij een logische 1 door de ingang van een poort opgenomen wordt. - Controleer door meting de waarheidstabel van een NAND-poort. Noteer de gemeten spanningen. - Met behulp van een NAND-poort kan een TTL-signaal al dan niet doorgelaten worden (fig.6.2) Test deze schakeling uit. Gebruik hierbij een TTL-signaal met een duty cycle van 50% en een frequentie van 100Hz, 1kHz en 100kHz. Neem de oscilloscoopbeelden over in A,B en Q. Fig.6.2 2.2. Welke funkties worden gerealiseerd? Stel de waarheidstabel op en controleer door meting. Fig.6.3 Stel de logische vergelijkingen op om een opteller te maken 2.3. Half adder Bouw een schakeling die het mogelijk maakt om twee binaire getallen met elkaar op te tellen (Fig.6.4). Gebruik uitsluitend Nand-poorten.

28 Fig.6.4 2.4. Elektronische schakelaar. Bouw een schakeling die het mogelijk maakt een signaal A of een signaal B door te geven naar een punt C. Het omschakelen moet bepaald worden door een stuursignaal D. (Fig.6.5). Gebruik uitsluitend Nand-poorten. Fig.6.5 algebraïsch kunnen we deze schakelaar als volgt omschrijven: C = (A.D) + (B. D ) Werk deze funktie verder uit zodat ze kan uitgevoerd worden met NAND-poorten. Maak hierbij gebruik van de volgende stellingen uit de Boole-algebra. X =X en X Y = X.Y

29 2.5. Monostabiele multivibrator. In fig.6.6 wordt een voorbeeld gegeven van een monostabiele multivibrator die opgebouwd is met Nand-poorten. Dergelijke schakeling levert op commando van een stuurimpuls, één uitgangsimpuls af met een welbepaalde duur. Fig.6.6 Test deze schakeling uit. Neem als stuursignaal een TTL-signaal met een frequentie van 200Hz en een tijd T A die kleiner is dan T D (T D ~RC) Neem de oscilloscoopbeelden over in A,B,C en D en geef er een verklaring voor. Houd daarbij rekening met de volgende elementen. - De spanning over een condensator kan niet ogenblikkelijk veranderen. Wanneer de spanning dus in het punt B plots van waarde verandert, dan zal die zelfde spanningssprong ook in het punt C terug te vinden zijn. - De tweede Nand-poort wordt als een aktieve versterker gebruikt. Zijn ingangsspanning ligt immers ook tussen 0,8 en 2 Volt. Men mag echter aannemen dat de uitgangsspanning omslaat bij een ingangsspanning van 1,3V. (zie fig. 6.7) Fig.6.7

30 Lab7 Flip-Flops 1. Theoretische voorstudie. Flip-flops of bistabiele multivibratoren zijn evenals logische poorten belangrijke componenten in de digitaaltechniek. De klanken van het woord "flip-flop" drukken min of meer de werking uit van dergelijke multivibratoren: met behulp van een impuls worden ze van de éne stabiele toestand (flip) in de andere stabiele toestand (flop) geschakeld. In deze oefening zullen we werken met één van de meest gebruikte flip-flops in de TTLfamilie, nl. de JK master-slave flip flop (type 7476) Werking: Bij de stijgende flank van de klok (C1) worden de toestanden van J en K gelezen. Bij de dalende flank van de klok wordt de volgende waarheidstabel uitgevoerd. J K Q 0 0 Rust 1 0 1 0 1 0 1 1 Verandert * J = 0, K = 0 De flip-flop reageert niet op klokimpulsen. De laatste toestand op Q blijft behouden. * J = 1, K = 0 De uitgang Q wordt zeker 1 * J = 0, K = 1 De uitgang Q wordt zeker 0 * J = 1, K = 1 De uitgang zal veranderen. Als Q gelijk was aan 0, wordt Q = 1. Als Q gelijk was aan 1, wordt Q = 0

31 De uitgang Q is steeds de inverse van Q. De JKmaster- slave FF beschikt ook nog over twee andere ingangen, nl. de set en de reset. Deze ingangen werken asynchroon. dwz. onafhankelijk van de klok. Het cirkeltje voor de ingangen beduidt dat deze ingangen actief zijn bij een 0. * S = 0 R = 1 De set is actief. De uitgang wordt 1. * S = 1 R = 0 De reset is actief. De uitgang wordt 0. * S = 1 R = 1 Er wordt noch geset, noch gereset. * S = 0 R = 0 Een van beide is "dominant". Test uit. 2. Opgaven. 2.1. Asynchrone tellers. Binaire tellers kunnen gemakkelijk opgebouwd worden m.b.v. flip flops. In fig. 7.1 wordt een voorbeeld gegeven van een asynchrone 16-teller. 16-teller: Met 4 flip-flops kan een teller opgebouwd worden met een capaciteit van 4 bits. In totaal zijn er dan 2 4 (=16) combinaties mogelijk. In fig. 7.1 corresponderen Q A, Q B, Q C en Q D respectievelijk met 2 0, 2 1, 2 2 en 2 3. asynchroon: De vier flip-flops worden in serie geschakeld. De stuurimpuls wordt van de éne trap naar de andere doorgegeven. Bij synchrone tellers wordt de stuurimpuls gelijktijdig aan alle flip-flops toegevoerd. Fig.7.1 Test deze schakeling uit. Plaats op elke Q -uitgang een LED die gaat oplichten bij een toestand 0. Bereken de bijhorende weerstand R. Neem van de klok, Q A, Q B,Q C en Q D de beelden over zodat de deling van de klokfrequentie duidelijk tot uiting komt. Maak een samenvattende tabel van de verschillende toestanden.

32 klokimpuls Q D Q C Q B Q A 0... 16 Bouw de vorige schakeling om tot een asynchrone 10-teller. Bij de aanvang van de tiende impuls moet een eenvoudige poortschakeling de flip-flop resetten, zodat de teller opnieuw in de nul-toestand komt. Aldus worden de zes overtollige tellertoestanden (hexadecimaal): A, B, C,D,E en F uitgeschakeld. Test de schakeling uit op een frequentie van 10 khz. Neem de beelden over van de klok,q A, Q B,Q C en Q D. 2.2. Schuifregisters In de digitaaltechniek maakt men voor het overbrengen van bitcombinaties dikwijls gebruik van schuifregisters. Ook deze digitale schakelingen kunnen m.b.v. flip-flops uitgevoerd worden. Eén van de meest eenvoudige uitvoeringen wordt weergegeven in fig. 7.2 Werking: Elke flip-flop neemt bij de stijgende flank van een klokpuls, de informatie in zich op van de voorgaande flip-flop. Bij de dalende flank komt deze informatie aan zijn uitgang. Dergelijke werking is slechts mogelijk wanneer de J-ingang nooit dezelfde logische toestand heeft als de K-ingang. In het geval immers dat J en K beide 1 zijn, slaat de flipflop bij elke impuls om; wanneer J en K beide 0 zijn, dan vindt er in het geheel geen omslaan plaats. Het is om die reden dat er tussen de J- en K-ingang van de eerste flipflop een inverter geplaatst wordt. Bemerk ook dat de klokimpulsen synchroon toegevoerd worden. Fig.7.2 Bestudeer de werking van deze schakeling. Test deze schakeling uit door het binair getal 00001001 in te lezen. Zorg ervoor dat de registerinhoud bij de aanvang van de test gelijk is aan 0000. Genereer de klokimpulsen m.b.v. de RS flip-flop uit fig.7.3.

33 Maak een samenvattende tabel van de verschillende toestanden (8 klokpulsen). klokimpuls Q D Q C Q B Q A 0... 16 Gebruik als "single shot" generator onderstaande latch. Fig.7.3 Q 0 = de toestand van Q vooraleer S en R logisch 1 werden. + = deze toestand is pseudo-stabiel. d.w.z. dat hij kan veranderen wanneer S en R naar hun inactieve toestand(="1"terugkeren) 2.3. Ringteller Wanneer we in de schakeling uit fig.7.4 een terugkoppeling voorzien van de uitgangen van flip-flop D naar de ingangen van flip-flop A (Q D = J A en Q D = K A ), dan wordt de informatie gedwongen om steeds in hetzelfde register rond te lopen. Dergelijk register wordt dan ook een ringteller genoemd. Fig.7.4.

34 Test deze schakeling uit. Maak gebruik van de set en reset ingang van de flip-flops om de registerinhoud bij de aanvang van de test gelijk te maken aan 1001. Genereer de klokimpulsen opnieuw m.b.v. de schakeling uit fig.7.3. Maak een samenvattende tabel van de verschillende toestanden (8 klokimpulsen). Bij de aanvang van de vorige test werden alle flip-flops tegelijk van de juiste informatie voorzien. Wil men dergelijke parallelinlezing vanuit een ander register laten gebeuren, dan moet de schakeling uit fig.7.4 uitgebreid worden (fig.7.5). Fig.7.5 Onderzoek de werking van deze schakeling. Laat daarna de bitcombinatie 1001 in het register rondlopen. Gebruik daarbij een klokfrequentie van 10kHz. Neem de oscilloscoopbeelden over van de klok, Q A, Q B,Q C en Q D.