1. Tehtävä

Työn tarkoitus oli tutustua opetuselementti OA-5:n toimintaan (kuva alapuolella) ja tehdä sillä mittauksia. Työssä tutustuimme myös oskillaattoriin ja itseisarvovahvistimeen sekä niiden toimintaan vahvistinpiireissä. Tutkimme myös särön vaikutusta siniaaltoon. Mittauksissa käytetyt välineet: oskilloskooppi, funktiogeneraattori ja kaksi yleismittaria.

2. Teoriaa

Sinioskillaattori

Oskillaattoreiden kuvitella muodostuvan seuraavan kuva mukaisesti:

Vaihtovirtageneraattorista syötetään sinijännitettä kytkimen K1 kautta vahvistimeen. Vahvistimen lähdöstä saadaan sama jännite vahvistuneena ja 180^o vaihesiirrossa, koska vahvistin on invertoiva. Takaisinkytkentä voidaan muodostaa passiivisilla komponenteilla. Sen tehtävä on vaimentaa ja kääntää lähtöjännitteen vaihetta siten, että takaisinkytkennästä tuleva jännite on sama kuin mikä syötettiin vaihtojännitegeneraattorista. Jos kytkin K1 käännetään toiseen asentoon, niin vahvistimen lähtöjännite ei muutu, vaikka vaihtojännitegeneraattori kytkeytyy pois.

Vahvistin varustettuna sopivalla takaisinkytkennällä voi toimia oskillaattorina eli vaihtojännitteen synnyttäjänä. Oskillaattorin vahvistimeksi soveltuu hyvin operaatiovahvistin.

Ohessa olevassa kuvassa on eräänlainen oskillaattorikytkentä.

Tämä kytkentä toimii edellisen teorian mukaisesti, vaikka takaisinkytkentää ei tässä tapauksessa ole eroteltavissa itse vahvistinkytkennästä.

Oskillaattorin vaikeutena on saadun sinijännitteen amplitudin vakavointi. Jos vahvistus on yhtään liian pieni, kuolee värähtely hitaasti pois ja oskillaattori lakkaa toiminnasta. Jos vahvistus on yhtään liian suuri, kasvaa oskillaattorin lähtöjännitteen amplitudi hitaasti, kunnes vahvistin kyllästyy. Helpoin tapa saada lähtöjännite pysymään stabiilina on, että systeemin vahvistus on hiukan ylisuuri ja lähtöjännite käy hetkellisesti vahvistimen kyllästysarvossa oskillaattorin toimiessa. Tällä tavalla tehtäessä ei lähtöjännite ole aivan sinimuotoinen, vaan muistuttaa alla olevaa kuvaa.

Lähtöjännitteen poikkeamaa sinimuodosta sanotaan säröksi. Edellisessä kytkennässä voidaan säröä ja lähtöjännitteen amplitudia säätää kuvassa olevalla potentiometrillä.

Itseisarvovahvistin

Seuraavissa kuvissa ovat itseisarvokytkentä ja sen ominaiskäyrä.

Kytkentä koostuu tasasuuntauskytkennästä ja yhteenlaskevasta vahvistinkytkennästä. Jos ohjaava jännite U_i on negatiivinen, on jännite U₁ nolla ja vahvistin M₂ ohjautuu R:n suuruisen vastuksen kautta pelkästään U_i:stä. M₂ kääntää U_i:n merkin ja koska ao. vahvistus on 1, on U₀ vastaava positiivinen jännite. Jos U₁ on positiivinen, menee M₁:n lähtö negatiiviseksi eli U₁ = -U_i.

M₂ summaa nyt U_i:n ja U₁:n.

U_o = - U_i + 2U₁ = U_i (U_i>0).

U_i:n ollessa positiivinen, on lähtöjännite positiivinen ja yhtä suuri kuin U_i. Vahvistin toimii siis itseisarvovahvistimena U_o = |U_i|.

Mittaustulokset

Sinioskillaattori

Oskilloskooppi kytkettiin nastaan B ja trimmeriä R₅ säädettiin, kunnes saimme oskillaattorin värähtelemään puhtaasti. Sinimuotoinen lähtöjännite mitattiin nastasta B. U_pp arvoksi mittasimme 26,41 V, taajuudeksi f 7,09 Hz ja jaksonajaksi T 141 ms.

Seuraavaksi mittasimme lähtöjännitteen nastasta B, kun trimmeri R₅ oli säädetty maksimiasentoon. Jännite oli sinimuotoinen, mutta huippuarvot leikkautuneet pois. U_pp arvoksi mittasimme nyt 27,5 V, taajuudeksi f 8,65 Hz ja jaksonajaksi T 116 ms.

Tehtävien vastaukset

Taajuuden ollessa 8,65 Hz, amplitudiksi saadaan 27,5 V. Yhden jakson pituus on 116 ms.

2. Särö ilmenee signaalin huippuarvon leikkaantumisena. Säröä syntyy kun kytkennän vahvistus on hie- man liian suuri ja lähtöjännite nousee hetkellisesti vahvistimen kyllästysarvoon.

3. Oskillaattorin taajus saadaan nostettua kaksinkertaiseksi pienentämällä kondensaattorin kokoa puolella.

Itseisarvovahvistin

Itseisarvovahvistimen ominaiskäyrä määritettiin kytkemällä tulonastaan C liittimestä A säädettävä jännite. Kytkentään menee jännite U_c ja ulos tulee jännite U_d. Ohessa mittaustulokset ja ominaiskäyrä:

Lähtönastan jänniteeksi saimme 2,9V. Offset-säädön kasvatus aiheutti kolmioaallon kärkien kääntymistä päinvastaiseksi x-akselin suhteen. Käyrämuoto oli melko puhdasta kanttiaaltoa, suurilla taajuuksilla käyrämuoto tiheni.

Tehtävien vastaukset

1. Ohjausjännitteen positiivisella osalla toimii vastus R8 ja negatiivisella osalla vastukset R7 ja R8.