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💡 Hinweise zu den Aufgaben

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➡️ Aufgabe 1: Spannungsteiler und Impedanzwandler

Hinweis der Praktikumsleitung

Achten Sie darauf, dass die Tastköpfe des Oszilloskops kalibriert sind, bevor Sie die folgenden Aufgaben bearbeiten. Weitere Hinweise hierzu finden Sie im Datenblatt zum Versuch.

⚙️ Aufgabe 1.1: Ohmscher Spannungsteiler

🔧 Ablauf

  • Verwenden Sie zum Aufbau die Schaltung aus den Hinweisen zum Spannungsteiler, Abb. 1.
    • Verwenden Sie die Widerstände \(R_{1}=11.5\,\mathrm{k\Omega}\) und \(R_{2}=2.26\,\mathrm{k\Omega}\).
    • Die äußere Spannungsversorgung des Steckbretts ist mit \({\pm}12\,\mathrm{V}\) vorgegeben.
  • Legen Sie zur Überprüfung der Schaltung am Funktionsgeber (FG) eine Sinusspannung mit mittlerer Frequenz (z.B. \(\nu=1\,\mathrm{kHz}\)) und einer Amplitude von \(9\,\mathrm{V}\) für \(U_{\mathrm{in}}\) an und stellen Sie sowohl \(U_{\mathrm{in}}\) als auch \(U_{\mathrm{out}}\) auf dem Oszilloskop geeignet dar.
  • Überzeugen Sie sich davon, dass der Spannungsteiler die erwartete Spannungsreduktion aufweist.
  • Beobachten Sie, wie sich \(U_{\mathrm{out}}\) verhält, wenn Sie ein höherfrequentes Rechtecksignal am Eingang verwenden.
    • Variieren Sie dabei die Frequenz des Rechtecksignals, bis Sie eine Verzerrung beobachten können.

🖥️ Auswertung

  • ✍🏻 Protokollieren Sie:
    • Fügen Sie Ihrer Auswertung das Schaltbild aus den Hinweisen zum Spannungsteiler, Abb. 1 zu.
      • Eine Erklärung, wie Sie externe Bilder in Ihr Protokoll einfügen können, finden Sie hier.
    • Erklären Sie zur Vorbereitung auf den Versuch die erwartete Spannungsreduktion für die von Ihnen vorgesehene Schaltung.
    • Dokumentieren Sie während der Messung Ihr Vorgehen.
    • Fügen Sie Ihrer Auswertung eine Photographie Ihres Aufbaus sowie eine geeignete gemeinsame Darstellung von \(U_{\mathrm{in}}\) und \(U_{\mathrm{out}}\) am Oszilloskop zu.
    • Fügen Sie Ihrer Auswertung eine geeignete gemeinsame Darstellung von \(U_{\mathrm{in}}\) und \(U_{\mathrm{out}}\) am Oszilloskop für das Rechtecksignal zu.
    • Beschreiben Sie, wie die Verzerrung des Rechtecksignals zustande kommt.

⚙️ Aufgabe 1.2: Frequenzkompensierter Spannungsteiler

🔧 Ablauf

  • Verwenden Sie zum Aufbau die Schaltung aus den Hinweisen zum Spannungsteiler, Abb. 6.
    • Verwenden Sie für den Aufbau die Kondensatoren mit \(C_{1} = 47\,\mathrm{pF}\), \(C_{\mathrm{T}} = 15\ldots85\,\mathrm{pF}\) und \(C_{2} = 470\,\mathrm{pF}\).
  • Legen Sie zur Überprüfung der Schaltung am FG ein Rechtecksignal mit einer Frequenz von \(\nu=100\,\mathrm{kHz}\) an und justieren Sie den Trimmkondensator, bis die Verzerrung minimal wird.

🖥️ Auswertung

  • ✍🏻 Protokollieren Sie:
    • Fügen Sie Ihrer Auswertung das Schaltbild aus den Hinweisen zum Spannungsteiler, Abb. 6 zu.
    • Dokumentieren Sie während der Messung Ihr Vorgehen.
    • Fügen Sie Ihrer Auswertung eine geeignete gemeinsame Darstellung von \(U_{\mathrm{in}}\) und \(U_{\mathrm{out}}\) am Oszilloskop zu.

⚙️ Aufgabe 1.3: Offset-Addition

🔧 Ablauf

  • Verwenden Sie zum Aufbau die Schaltung aus den Hinweisen zum Spannungsteiler, Abb. 9.
    • Verwenden Sie die Widerstände \(R_{3} = 2.87\,\mathrm{k\Omega}\) und \(R_{4} = 16.2\,\mathrm{k\Omega}\).
    • Schließen Sie einen Kondensator von \(C_{3}=100\,\mathrm{nF}\) (als Glättungskondensator) an den Eingang des Spannungsfolgers an, um Spannungsschwankungen zu reduzieren.
  • Legen Sie zur Überprüfung der Schaltung am FG eine Sinusspannung mit mittlerer Frequenz (z.B. \(\nu=1\,\mathrm{kHz}\)) für \(U_{\mathrm{in}}\) an und stellen Sie sowohl \(U_{\mathrm{in}}\) als auch \(U_{\mathrm{out}}\) auf dem Oszilloskop geeignet dar.
  • Überzeugen Sie sich davon, dass die Schaltung das erwartete Verhalten aufweist.

🖥️ Auswertung

  • ✍🏻 Protokollieren Sie:
    • Fügen Sie Ihrer Auswertung das Schaltbild aus den Hinweisen zum Spannungsteiler, Abb. 9 zu.
    • Dokumentieren Sie während der Messung Ihr Vorgehen.
    • Fügen Sie Ihrer Auswertung eine geeignete gemeinsame Darstellung von \(U_{\mathrm{in}}\) und \(U_{\mathrm{out}}\) am Oszilloskop zu.
    • Beschreiben Sie, wie das Ausgangssignal zustande kommt.
    • Beschreiben Sie die Rolle des OPV in dieser Schaltung.

⚙️ Aufgabe 1.4: Impedanzwandler

🔧 Ablauf

  • Fügen Sie Ihrer Schaltung am Ausgang einen weiteren Impedanzwandler (Spannungsfolger) zu.
  • Überzeugen Sie sich davon, dass die Ausgangsspannung dabei unverändert bleibt.
  • Schalten Sie nun einen Lastwiderstand \(R_{\mathrm{L}}\) an den Ausgang des frequenzkompensierten Spannungsteilers vor dem Impedanzwandler. Das andere Ende des Widerstands wird mit Masse verbunden.
    • Stellen Sie sowohl \(U_{\mathrm{in}}\) als auch \(U_{\mathrm{out}}\) auf dem Oszilloskop geeignet dar.
  • Platzieren Sie nun \(R_{\mathrm{L}}\) hinter dem Impedanzwandler.
    • Stellen Sie sowohl \(U_{\mathrm{in}}\) als auch \(U_{\mathrm{out}}\) auf dem Oszilloskop geeignet dar.

🖥️ Auswertung

  • ✍🏻 Protokollieren Sie:
    • Dokumentieren Sie während der Messung Ihr Vorgehen.
    • Fügen Sie Ihrer Auswertung eine geeignete gemeinsame Darstellung von \(U_{\mathrm{in}}\) und \(U_{\mathrm{out}}\) am Oszilloskop zu. Stellen Sie die Änderung des Signals im Vergleich zum unbelasteten Impedanzwandler in einem Pull-Plot dar.
    • Vergleichen Sie das Ausgangssignal für beide Positionen von \(R_{\mathrm{L}}\).
    • Erklären Sie die Funktionsweise des OPV anhand der Goldenen Regeln.

➡️ Aufgabe 2: Nicht-invertierender Verstärker

⚙️ Aufgabe 2.1: Nicht-invertierender Verstärker

🔧 Ablauf

  • Verwenden Sie zum Aufbau die Schaltung des Nicht-Invertierenden Verstärkers.
  • Gehen Sie analog zu Aufgabe 1.1 vor.
  • Wählen Sie die Widerstände \(R_{1}=2.26\,\mathrm{k\Omega}\) und \(R_{2}=1.15\,\mathrm{k\Omega}\).
    • Überzeugen Sie sich davon, dass der Verstärker die erwartete Spannungsverstärkung aufweist.
  • Legen Sie zur Überprüfung der Schaltung am FG eine Sinusspannung mit mittlerer Frequenz (z.B. \(\nu=1\,\mathrm{kHz}\)) und einer Amplitude von \(3\,\mathrm{V}\) für \(U_{\mathrm{in}}\) an und stellen Sie sowohl \(U_{\mathrm{in}}\) als auch \(U_{\mathrm{out}}\) auf dem Oszilloskop geeignet dar.
  • Beobachten Sie das Sättigungsverhalten des OPV:
    • 💡 Erhöhen Sie die Amplitude des Eingangssignals, bis die Ausgangsspannung des OPV gesättigt ist.
    • Stellen Sie sowohl \(U_{\mathrm{in}}\) als auch \(U_{\mathrm{out}}\) auf dem Oszilloskop geeignet dar.
  • Untersuchen Sie \(U_{\mathrm{out}}\) beim Anlegen eines DC-Offsets am Eingang.
    • Stellen Sie hierzu sowohl \(U_{\mathrm{in}}\) als auch \(U_{\mathrm{out}}\) auf dem Oszilloskop geeignet dar.

🖥️ Auswertung

  • ✍🏻 Protokollieren Sie:
    • Fügen Sie Ihrer Auswertung das Schaltbild des Nicht-Invertierenden Verstärkers zu.
    • Erklären Sie zur Vorbereitung auf den Versuch die erwartete Spannungsverstärkung für die von Ihnen vorgesehene Schaltung.
    • Dokumentieren Sie während der Messung Ihr Vorgehen.
    • Fügen Sie Ihrer Auswertung eine Photographie Ihres Aufbaus sowie eine geeignete gemeinsame Darstellung von \(U_{\mathrm{in}}\) und \(U_{\mathrm{out}}\) am Oszilloskop zu.
    • Fügen Sie für Ihre Auswertung sowohl für das Sättigungsverhalten als auch für den DC-Offset eine Darstellung von \(U_{\mathrm{in}}\) und \(U_{\mathrm{out}}\) am Oszilloskop zu.

⚙️ Aufgabe 2.2: Verstärkungsgesetz

🔧 Ablauf

  • Ersetzen Sie in Ihrer Schaltung \(R_2\) durch das Potentiometer mit dem Bereich \(0\ldots2.2\,\mathrm{k\Omega}\).
  • Stellen Sie sowohl \(U_{\mathrm{in}}\) als auch \(U_{\mathrm{out}}\) auf dem Oszilloskop geeignet dar.
    • 💡 Verwenden Sie hierzu für das Eingangssignal eine Amplitude von \(3\,\mathrm{V}\) für \(U_{\mathrm{in}}\) und wählen Sie fünf geeignete Ausgangsamplituden im Bereich von \(U_{\mathrm{out}}=3\ldots9\,\mathrm{V}\).
    • 💡 Variieren Sie für jede der fünf Messungen das Potentiometer, bis die gewünschte Ausgangsamplitude erreicht wird.
    • 💡 Entfernen Sie daraufhin das Potentiometer aus der Schaltung und messen Sie den daran eingestellten Widerstand.

🖥️ Auswertung

  • ✍🏻 Protokollieren Sie:
    • Stellen Sie die Messpunkte \((U_{\mathrm{out}}/U_{\mathrm{in}}, R_{1}/R_{2})\) geeignet dar und passen Sie ein geeignetes Modell an die Datenpunkte an.
    • Beurteilen Sie die Anwendbarkeit des Modells auf Grundlage des \(\chi^{2}\)-Werts der Anpassung.
    • 💡 Beachten Sie, dass Sie hierzu realistische Unsicherheiten in beiden Achsenrichtungen der Darstellung benötigen. Überlegen Sie sich, wie Sie diese erhalten können.

➡️ Aufgabe 3: Invertierender Verstärker

⚙️ Aufgabe 3.1: Invertierender Verstärker

🔧 Ablauf

  • Verwenden Sie zum Aufbau die Schaltung des Invertierenden Verstärkers.
  • Gehen Sie analog zu Aufgabe 2.1 vor.
  • Verwenden Sie die beiden Widerstände \(2.26\,\mathrm{k\Omega}\) und \(1.15\,\mathrm{k\Omega}\).
    • Mit diesen Widerständen ergeben sich zwei mögliche Werte für die "Spannungsverstärkung".
    • Probieren Sie beide Widerstandskonfigurationen aus.
    • Überzeugen Sie sich davon, dass der Verstärker die erwartete Spannungsverstärkung aufweist.
  • Legen Sie zur Überprüfung der Schaltung am FG eine Sinusspannung mit mittlerer Frequenz (z.B. \(\nu=1\,\mathrm{kHz}\)) und einer Amplitude von \(3\,\mathrm{V}\) für \(U_{\mathrm{in}}\) an und stellen Sie sowohl \(U_{\mathrm{in}}\) als auch \(U_{\mathrm{out}}\) auf dem Oszilloskop geeignet dar.

🖥️ Auswertung

  • ✍🏻 Protokollieren Sie:
    • Fügen Sie Ihrer Auswertung das Schaltbild des Invertierenden Verstärkers zu.
    • Erklären Sie zur Vorbereitung auf den Versuch die erwartete Funktionsweise dieser Schaltung anhand der goldenen Regeln.
    • Fügen Sie Ihrer Auswertung eine Photographie Ihres Aufbaus, sowie geeignete Darstellungen von \(U_{\mathrm{in}}\) und \(U_{\mathrm{out}}\) für beide Widerstandskonfigurationen am Oszilloskop zu.
    • 🤓 Worin besteht der Unterschied zwischen dieser Schaltung mit einer Spannungsverstärkung von \(\beta\lt 1\) und einem ohmschen Spannungsteiler?

⚙️ Aufgabe 3.2: Summierverstärker

🔧 Ablauf

  • Verwenden Sie zum Aufbau die Schaltung des Summierverstärkers.
    • Verwenden Sie für den Aufbau der Schaltung die Widerstände \(R_{f} = 1.15\,\mathrm{k\Omega}\), \(R_{1} = 6.81\,\mathrm{k\Omega}\) und \(R_{2} = 9.09\,\mathrm{k\Omega}\).
    • Schließen Sie das Ausgangssignal des FG (als \(V_{1}\)) an \(R_{1}\) an.
    • Verwenden sie die konstante Versorgungsspannung als \(V_{2} = 12\,\mathrm{V}\) am Widerstand \(R_{2}\).
  • Legen Sie zur Überprüfung der Schaltung am FG eine Sinusspannung mit mittlerer Frequenz (z.B. \(\nu=1\,\mathrm{kHz}\)) und einer Amplitude von \(9\,\mathrm{V}\) für \(U_{\mathrm{in}}\) an und stellen Sie sowohl \(U_{\mathrm{in}}\) als auch \(U_{\mathrm{out}}\) auf dem Oszilloskop geeignet dar.
  • Überzeugen Sie sich davon, dass sich die Schaltung Ihrer Erwartung gemäß verhält.

🖥️ Auswertung

  • ✍🏻 Protokollieren Sie:
    • Fügen Sie Ihrer Auswertung das Schaltbild des Summierverstärkers zu.
    • Erklären Sie die erwartete Funktionsweise dieser Schaltung.
    • Fügen Sie Ihrer Auswertung eine Photographie Ihres Aufbaus, sowie geeignete Darstellungen von \(U_{\mathrm{in}}\) und \(U_{\mathrm{out}}\) am Oszilloskop zu.

⚙️ Aufgabe 3.3: Invertierer

🔧 Ablauf

  • Fügen Sie an den Ausgang Ihrer Schaltung einen invertierenden Verstärker mit der Verstärkung \(\beta = -1\) an.
  • Überzeugen Sie sich davon, dass sich die Schaltung Ihrer Erwartung gemäß verhält.
  • Legen Sie zur Überprüfung der Schaltung am FG eine Sinusspannung mit mittlerer Frequenz (z.B. \(\nu=1\,\mathrm{kHz}\)) und einer Amplitude von \(9\,\mathrm{V}\) für \(U_{\mathrm{in}}\) an und stellen Sie sowohl \(U_{\mathrm{in}}\) als auch \(U_{\mathrm{out}}\) auf dem Oszilloskop geeignet dar.

🖥️ Auswertung

  • ✍🏻 Protokollieren Sie:
    • Erklären Sie zur Vorbereitung auf den Versuch die erwartete Funktionsweise dieser Schaltung.
    • Fügen Sie Ihrer Auswertung eine Photographie Ihres Aufbaus, sowie geeignete Darstellungen von \(U_{\mathrm{in}}\) und \(U_{\mathrm{out}}\) am Oszilloskop zu.
    • Erklären Sie den Unterschied zwischen der Schaltung in Aufgabe 1.4 und dieser Schaltung.