Corso 04ATINX - Elettronica Applicata Anno Accademico 2018-19 Esercitazione 2 Amplificatore da strumentazione Introduzione Oggetto dell’esercitazione è il progetto e la verifica sperimentale delle prestazioni di un amplificatore da strumentazione basato sul circuito con tre operazionali visto a lezione. L’amplificatore deve funzionare con tensione di alimentazione singola. Progetto del circuito Le specifiche sono le seguenti: • Amplificatore operazionale: LM324. È un operazionale quadruplo, basta un circuito integrato per realizzare lo schema completo. • Alimentazione: +5V. • Guadagno dell’amplificatore differenziale: 1; dell’amplificatore completo: 3. Guadagno dell’amplificatore con R aggiuntiva (vedi punti successivi): 23. • Utilizzando alimentazione singola occorre una tensione di riferimento per far sì che la dinamica d’uscita permetta di trattare tensioni differenziali d’ingresso positive e negative. Determinare la tensione ottimale per massimizzare la dinamica d’uscita (consultare il datasheet del componente). • La tensione d’ingresso di modo comune deve essere tale da permettere il funzionamento del circuito. Determinare il valore teorico della dinamica d’ingresso di modo comune analizzando il datasheet del componente. • Valore massimo di R2 e Rb:22k. Limite imposto da considerazioni sulla stabilità del sistema. Lo schema di riferimento è quello visto a lezione e riportato nella figura seguente. 04ATINX Esercitazione 2 - Versione 4.0 del 01/10/18 C. Sansoè pag. 1 Progettare dapprima il solo amplificatore differenziale. Fissare il valore delle resistenze come fatto a lezione (con considerazioni su corrente massima d’uscita e influenza degli offset). Determinare in seguito il valore delle resistenze associate allo stadio di ingresso. L’amplificatore 4 serve per ottenere VREF. Scegliere VREF a metà della dinamica d’uscita dell’amplificatore da strumentazione in modo da massimizzare la dinamica di modo differenziale del circuito. Aggiungere in parallelo a R6 un condensatore di valore opportuno per filtrare almeno il rumore di rete (polo a frequenza inferiore a 50Hz). Montaggio del circuito Montare prima l'amplificatore operazionale, le connessioni all'alimentazione e poi i componenti passivi. Montare un condensatore di valore compreso da 100nF, ceramico, tra l’alimentazione e massa il più vicino possibile all’operazionale (condensatore di bypass). Analog Discovery 2 Le misure descritte nel seguito devono essere prima effettuate a casa con la Analog Discovery 2 e poi ripetute in laboratorio. La nota sulla generazione del segnale del punto 3 e la parentesi del punto 7 non si applicano al generatore della AD2, che è in grado di generare il segnale richiesto. Nel punto 4 si può utilizzare la funzione network, ricordandosi di impostare correttamente la ampiezza e l’offset del generatore (ricordarsi le limitazioni di slew rate). Misure 1. Alimentare il circuito e verificare che l’uscita dell’amplificatore 4 sia al valore progettato per VREF. Collegare l’uscita dell’amplificatore 4 all’ingresso V REF. Collegare inizialmente a VREF anche gli ingressi V1 e V2. Controllare che il valore di Vu sia prossimo a VREF. A che cosa si può imputare l’eventuale differenza tra Vu e il valore di tensione presente sull’uscita dell’amplificatore 4? 2. Lasciando l’ingresso V2 collegato a VREF, collegare l’ingresso V1 all’uscita del generatore di segnali. 3. Impostare il generatore in modo da ottenere un segnale sinusoidale di ampiezza tale da mantenere il circuito all’interno della dinamica, ricordandosi di impostare un offset pari a VREF. Se le caratteristiche del generatore di segnali presente sul banco non consentissero di generare il segnale voluto (per limiti sulla quantità di offset in funzione dell’ampiezza del segnale), collegare il generatore al circuito inserendo in serie un condensatore di valore opportuno e aggiungendo una resistenza di valore elevato tra V 1 e VREF. In questo modo il valor medio del segnale risulta essere VREF, indipendentemente dal valor medio del segnale d’uscita del generatore (non serve più impostare un offset…). 4. Impostare inizialmente una frequenza di 1kHz e verificare che il guadagno del circuito sia corretto. Misurare poi il guadagno del circuito e lo sfasamento tra segnale d’ingresso e d’uscita al variare della frequenza, farne un grafico e calcolare la banda a -3dB. 5. Verificare la dinamica d’ingresso del circuito, utilizzando un segnale d’ingresso triangolare a frequenza ben inferiore al limite di banda passante (es. 100Hz, 1Vp, offset pari a VREF). Per visualizzare la dinamica è possibile utilizzare l’oscilloscopio in modalità XY con ingresso sull’asse X e uscita sull’asse Y. 6. Collegare V1 a VREF e V2 al segnale d’ingresso. Ripetere le misure precedenti e verificare se i valori ottenuti sono uguali (a meno di un’inversione di fase). 7. Scollegare entrambi gli ingressi da VREF, collegarli tra loro e al generatore di segnali (mantenendo il circuito con condensatore e resistenza, se necessario per creare il corretto valor medio del segnale d’ingresso). Misurare il guadagno di modo comune del circuito, eventualmente aumentando l’ampiezza della sinusoide (attenzione alla dinamica di ingresso!) e disegnarne l’andamento in funzione della frequenza. 8. Collegare una resistenza in parallelo a R in modo da variare il guadagno del circuito come da specifiche. Verificare come si modificano guadagno e banda passante ripetendo le misure precedenti con generatore di segnali collegato all’ingresso V1. 04ATINX Esercitazione 2 - Versione 4.0 del 01/10/18 C. Sansoè pag. 2
