OpAmp experimenten met de Parallax Basic Stamp en USB Oscilloscoop

Datum:  Mei 2009

Inleiding:

Het mooie aan een kit zoals deze is dat men geen functiegenerator nodig heeft om het effect van een sinus op een elektronisch circuit te bestuderen. Dit systeem kan zelf een sinusgolf creëren.

Principe:

Experimenteerkit voor het leren werken met en programmeren van microprocessoren in combinatie met een oscilloscoop maakt het mogelijk elektronische effecten zichtbaar te maken. In dit geval het werken met een OpAmp.

Materiaal:

De BASIC Stamp Activity Kit bevat een handboek, de Basic Stamp 2 op een experimenteer board (HomeWork Board project platform), diverse elektronische onderdelen, een CD met software en documentatie en een seriële kabel.

Aangezien mijn laptop (en alle moderne laptops) geen seriële poort meer bevat heeft men ook een serieel naar USB converter kabel nodig (de meer moderne versie van dit systeem is volledig USB georiënteerd)

Voor het benaderen en aansturen van de Basic Stamp 2 processor maakt men gebruik van een basic achtige programmeertaal PBASIC waarvan men de software op de PC moet installeren. Deze software maar ook andere meer relevante software kan men ook gratis van de site van Parallax downloaden.
In het zelfstudieboek worden vele experimenten besproken. Het experiment dat hier behandeld wordt vind men in een iets andere vorm terug.
Ook heb ik kortgeleden de USB Oscilloscoop van Parallax aangeschaft. Relatief goedkoop voor een portable meerkanaals oscilloscoop.Software en handleidingen zijn downloadbaar van Parallax alsmede een studieboek voor het werken met een oscilloscoop 'Understanding Signals' waaruit we dit experiment gehaald hebben.

  • weerstanden:  1 kOhm, 2 kOhm, 10 kOhm, 20 kOhm
  • elektrolytische condensator: 1 uF
  • OpAmp: LM358 of analoog bv BA10358
  • jumperdraden
  • 10 kOhm Pot meter

Uitvoering:

EXPERIMENT 1: Sinus golf door een niet inverterende OpAmp


  • Bouw de schakeling op zoals in bovenstaande schema en plaatje is weergegeven.

  • Bij Het Basic Stamp Homework Board (zoals ik het gebruik) is het niet nodig om de 220 Ohm weerstand te gebruiken aangezien deze al gemonteerd is op het PCB. We kunnen daarom een een jumper draad gebruiken.

  • Verbind de scope connectors zoals in de figuur is aangegeven.

  • Gebruik de BASIC Stamp Editor om onderstaande PIC Basic programma naar de Basic Stamp te uploaden en laat dit draaien.
 ' Understanding Signals - OPAmpExamplewithFREQOUT.bs2
' Generate a sine wave for the op-amp

' {$STAMP BS2}
' {$PBASIC 2.5}

DO

FREQOUT 15, 1000, 1000

LOOP

  • Start de oscilloscoop software op en stel deze in in op de volgende instellingen:

    CH1:  2 V / division
    CH2:  2 V / division
    Horizontal Dial:  500 us / division
    Trigger Source:  Channel 1
    Trigger:  Edge Rising
    Trigger Mode:  Auto
    Run / Stop Mode:  Continuous
    Trigger Voltage:  2 V

    •

  • Klik op de Run Stop button om de oscilloscoop te starten.

  • Stel de Cursor Settings in op Horizontal Bars en Snap to Plot.

  • Stel de signalen van CH1 en CH2 zo in dat de minima elkaar overlappen.

  • Meet de Amplitudes van zowel het input signaal als het output signaal.

  • Binnen het tab File Settings kan men de gemeten waardes als excel file en als screenshot exporteren.

  • Men kan het experiment herhalen met verschillende weerstandswaardes.
EXPERIMENT 2: Inverterende versterker met instelbare DC Offset


 

  • Bouw de schakeling op zoals in bovenstaande schema en plaatje is weergegeven.

  • Wederom geldt dat bij Het Basic Stamp Homework Board (zoals ik het gebruik) is het niet nodig om de 220 Ohm weerstand te gebruiken aangezien deze al gemonteerd is op het PCB. We kunnen daarom een een jumper draad gebruiken.

  • Verbind de scope connectors zoals in de figuur is aangegeven.

  • De scope instellingen hoeven niet gewijzigd te worden.

  • Start het PIC Basic programma weer op.

  • Start de scope software

  • Stel de potentiometer dusdanig in door aan de knop te draaien totdat het volledige signaal zichtbaar is en niet afgeplat.

  • Klik op de Run Stop button om het signaal te fixeren.

  • Verander onder de Cursors tab de Cursor Settings switches naar Horizontal Bars en Snap to Plot.

  • Meet het spanningsverschil tussen tussen de hoge en de lage pieken van het ingangs signaal.

  • Herhaal dit voor het uitgangssignaal en vergelijk het verschil in amplitude.

Resultaat:

EXPERIMENT 1
Voor een niet inverterende versterker geldt: Versterking = 1 + Rf/Ri
Als Rf = 2 kOhm en Ri = 1 kOhm geeft dat:
Versterking = 1 + 1000/2000 = 1.5

Met het PIC Basic programma genereren we een sinus golf met een frequentie ban 1 kHz dieals ingangssignaal voor de OpAmp dient.

Het oscilloscoop signaal dat we gemeten hebben wordt weergegeven in onderstaande figuur.

Met 2V/DIV meten we een uitgangssignaal van 4 V en een ingangssignaal van ca. 2.5 V. Hetgeen overeenkomt met een versterkingsfactor van: 4/2.5 = 1.6

Het aflezen van het scoopsignaal achteraf is niet echt makkelijk. Ik heb echter ook een signaal geëxporteerd, dat vervolgens in Excel geïmporteerd en geanalyseerd.

M.b.v. een eenvoudige analyse bereken ik dan een versterkingsfactor van (4.16/2.75=) 1.5.
Vervolgens heb ik het experimenten herhaald met Rf = 1 kOhm en Ri = 1 kOhm hetgeen een versterking geeft van: 1 + 1000/1000 = 2
Het oscilloscoop signaal is in nevenstaande plaatje weergegeven.

Zoals men kan zien is het output signaal erg afgeplat.

Dit had ik niet verwacht. Een verklaring hiervoor is echter dat de voedingspanning van de batterij die in de Basic Stamp zit te laat is zodat we buiten de dynamische range van de OpAmp komen hetgeen resulteert in een afgeplat signaal.

Herhalen we dit experiment met een nog grotere versterking met Rf = 2 kOhm en Ri = 1 kOhm hetgeen een versterking geeft van: 1 + 2000/1000 = 3
Het oscilloscoop signaal is in nevenstaande plaatje weergegeven.

Het signaal is nu zeer sterk afgeplat.

Ik heb vervolgens de spanning van de batterij gemeten met een multimeter en een spanning van 8 V gemeten.
Hetzelfde experiment maar nu met een nieuwe batterij die een spanning van 9.7 V heeft.
Het oscilloscoop signaal is in nevenstaande plaatje weergegeven.

De afplatting is nog steeds aanwezig maar het outputsignaal is wel veel groter.
 
De afplatting is een teken dat we het signaal proberen te versterken tot buiten de dynamische range van de versterker. Deze experimenten hebben echter ook mooi de invloed van de voedingsspanning laten zien.

 

De OpAmp voert in dit experiment twee functies uit. In de eerste functie die van inverterende versterker in de tweede functie een offset creëren m.a.w. we brengen het signaal uit fase.
Met Rf = 20 kOhm en Ri = 10 kOhm berekenen we een versterking van: 1 + 20000/10000 = 3
Het oscilloscoop signaal is in nevenstaande plaatje weergegeven.

Het output signaal is het gespiegelde van het input signaal.

We bereken een versterking van 2.2 op basis van de maxima en minima gemeten.

Discussie en conclusie:

In bijna elk elektronisch apparaat zit wel een versterker. In het recente verleden waren die opgebouwd uit individuele transistors, tegenwoordig zijn die transistors samengevoegd in een geïntegreerd circuit, de OpAmp. De OpAmp is een zeer makkelijk te gebruiken spannings versterker. De OpAmp gebruikt een spanning als input en versterkt deze volgens een bepaalde formule naar een uitgangspanning. De versterkingsfactor bepalen we m.b.v. weerstanden door een bepaalde ingangsweerstand (Ri) en een bepaalde terugkoppelings weerstand te kiezen en deze in de formule te stoppen die de versterking berekent (Versterkingsfactor = Rf/Ri).

Er zijn ook enkele limiterende factoren voor de OpAmp zoals voedingspanning en output range en response.
De voedingsspanning en output range zijn gekoppeld. Een OpAmp kan geen grotere spanningen creëren dan als voedingsspanning geleverd wordt.  Deze uitgangsspanning (of range) noemt men de dynamische range van de OpAmp. Indien een OpAmp een dynamische range heeft die even groot is als de voedingsspanning spreekt men van rail-tot-rail OpAmps. Dit laatste geldt niet voor de LM358, de output daarvan kan varieren tussen de 20 mV en de 3.5 V. Indien het inputsignaal dan groter is dan 3.5 V wordt het output signaal afgeplat.
De response of badnbreedte geeft aan hoe snel de OpAmp zijn uitgangssignaal kaan veranderen. De LM358 heeft een response van 300 mV per microseconde.
 

Literatuur:

  • 'What's a Microcontroller? Student Guide'; Parallax; Version 2.2; ISBN 1928982026.
  • 'Understanding Signals. Student Guide'; Parallax; Version 1.0; ISBN 1928982026; p.99-116.
  • Forrest M. Mims III, 'Engineer's Mini-Notebook Op Amp IC Circuits'; Radio Shack; 1985.
  •  
  • Mike Predko; '123 Robotics Experiments for the Evil Genius' ; McGraw-Hill; 2004; ISBN 0071413588.
  • A. Schommers; Elektronica echt niet moeilijk, deel 1: experimenten met gelijkstroom; Elektuur BV; 1988; ISBN 9070160358; p 62.
  • A.J.Dirksen; Leerboek Elektronica, Deel 1 Gelijkstroomtheorie; De Muiderkring; 1979; ISBN 9060821017; p 96.

Relevante websites:

Minder relevante websites:

Achtergrondinformatie:

Operationele versterkers heten in het Engels 'operational amplifiers' afgekort 'opamps'. Een opamp is een compleet geïntegreerde gelijkspanningsversterker voornamelijk opgebouwd uit  transistors. Het  symbool voor de opamp wordt in de  figuur hiernaast weergegeven. Een opamp heeft twee ingangen (+ en -) en één uitgang. Men spreekt ook wel van een niet-inverterende ingang en inverterende ingang. De opamp wordt gevoed met een positieve gelijkspanning  (in de range 5V tot 15 V) en en even grote negatieve gelijkspanning (in de range -5V tot -15V). Meestal laat men de voedingsaansluitingen in het symbool weg. Het verschil tussen V1 en V2 is  het ingangssignaal: Vin = V1 – V2. Dan is het gelijk aan dat van een comparator. Als V1 hoger is dan V2 geeft de opamp een hoog uitgangssignaal.

De verhouding tussen Vuit en Vin noemt men de versterkingsfaktor A:

Als A =106  wordt een verschil tussen V1 en V2 van 5 µV omgezet in een uitgangssignaal van 5V.

 
   

05/07/2009