機械工学実験実習 「オペアンプの基礎と応用」

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機械工学実験実習 「オペアンプの基礎と応用」 2017年度v1 機械工学実験実習 「オペアンプの基礎と応用」 オペアンプは,世の中の様々な装置の信号処理に利用されています 本実験は,回路構築・信号計測を通し,オペアンプの理解をめざします 入力信号      オペアンプの回路(音楽との関連) - 振幅の増幅/低減(音量調整) - 特定周波数の抽出(音質の改善) - 信号の合成(音の合成) - 信号の強化(マイクに入力される                  微弱な音信号の強化) 出力信号 機能

【使用方法1】 実験装置 Vin1…ブレッドボードへ正弦波入力 Vin2…ブレッドボードへ定電圧入力 Vout…ブレッドボードからの信号出力 (PCへの信号入力) GND…Vin1,Vin2,Voutの共通グランド PC 信号生成 &計測装置 (NI USB-6008) Visual C++ & Excel2013 Vin1 ブレッドボード (回路試作基板) Vin2 Vout GND オペアンプ 自作ソフトウェア 「OpAmpReader2015.exe」 ・・・信号「Vin1」「Vin2」「Vout」 の計測&データ保存 Microsoft Excel 2013 のグラフ化・分析 回路素子 抵抗器 コンデンサ 10種の回路製作 &信号計測 電池 +9V -9V 0V

【使用方法2】 ブレッドボードの通電箇所(黄線) 正しい接続例 通電 箇所A 通電 箇所B A B 間違った接続例 通電箇所C C C ※同じ通電箇所に接続すると抵抗器に電流は流れない

【使用方法3】 オペアンプと抵抗器の読み方 茶 赤 橙 1 2 ×103 Ω 【注意】オペアンプが 4個入っているタイプ. 【使用方法3】 オペアンプと抵抗器の読み方 【注意】オペアンプが 4個入っているタイプ. 必ず1つのみを使用. 茶 赤 橙 1 2 ×103 Ω +9V -9V 色 第一色 (10の位) 第二色 (1の位) 第三色 (倍率) 黒 100 茶 1 101 赤 2 102 橙 3 103 黄 4 104 緑 5 105 青 6 106 紫 7 107 灰 8 108 白 9 109 +9V -9V

【使用方法4】 デジタルマルチメータの設定 抵抗器/コンデンサ 抵抗/キャパシタ値を 計測するための接続法 ワニ口クリップ ②3回押す ① 【使用方法4】 デジタルマルチメータの設定 抵抗/キャパシタ値を 計測するための接続法 抵抗器/コンデンサ ワニ口クリップ ②3回押す ① 電圧(DC)の計測 抵抗値の計測 キャパシタ値の計測

【使用方法5】 ソフトウェア「OpAmpReader.exe」 本ソフトウェアは,世界中で研究開発に利用される National Instruments社製データ取得装置用の自作プログラムである. ② (注) ファイル名 Vin1 Vin2 Vout ① ③ ① 「OpAmpReader.exe」を起動すると,コマンドプロンプトウィンドウが出現し,   計測が開始されます. ② 計測を終了したいときには,ウィンドウ右上の「×」ボタンを押してください. ③ 計測後には,デスクトップ上に計測データを保存した「CSVファイル」が作成   されます.計測したデータごとに,実験名などに名前を変更してください. (注) 本ソフトウェアのソースコード.    <http://www.koj-m.sakura.ne.jp/kikaikogakujikken/>からダウンロード可能

【使用方法6】 計測データのグラフ化(Excel) ② ③ ① ④ ① A列・B列・C列・D列のデータを指定   カーソルを「A」に移動し,マウス左ボタンを押しつつ「D」まで移動させ左ボタンを離す. ② 挿入を指定 ③ 「グラフ」の「散布図」を指定 ④ 「散布図(直線)」を指定 ⑤ グラフは,見やすいように整形して下さい(縦軸名・横軸名を入れる,目盛調整など).

【使用方法7】 グラフのファイル保存(Excel) ① ③ ② ④ ⑤ ①「ファイル」を指定 ②「名前を付けて保存」を指定 ③「デスクトップ」を指定 ④「ファイルの種類」を指定 ⑤「Excelブック(*.xlsx)」を指定 計測ソフトウェアにてデータ保存されるファイル形式はCSVファイルであり,数値のみの保存となる.エクセルでCSVファイルを開き,グラフを作成した場合,そのグラフを保存したいならば,ファイル形式を「XLSX」に変更する必要がある.

【使用方法8:練習】 信号「Vin1」 「Vin2」 「Vout」の計測 【注意】 ジャンパー線とは 透明な箱に入っている 被覆金属線です Vin1 Vin2 100kΩ 100kΩ 0V&GND Vin1 Vout 100kΩ Vout ・・・ジャンパー線    (2本使用) 0V&GND Vin2 信号種類 Vin1 正弦波 (振幅    V) (周期   秒)  Vin2 定電圧 (       V) ・・・抵抗器100kΩ  (3個使用) GND

計測データ(xlsx形式)は,課題遂行に使用するの,必ず持ち帰ること. 実験手順 実験1から実験10まで下記の流れで進めてください. 1. 抵抗器/コンデンサの実際値をマルチメータにて計測. 2. 電子回路を製作. 3. ソフトウェア「OpAmpReader」にて「Vin1」「Vin2」「Vout」 の計測データをCSV形式にてファイル保存. 4. ソフトウェア「Excel」にて,上記CSVファイルを開き, グラフを作成し, 「Vin1」「Vin2」「Vout」の波形を確認. 5. グラフ化したデータをxlsx形式にてファイル保存. なお,後で実験の種類を判断できる名前とつけること. 計測データ(xlsx形式)は,課題遂行に使用するの,必ず持ち帰ること. 要望があれば,<http://www.koj-m.sakura.ne.jp/kikaikogakujikken/>にアップロード

【実験1】 ボルテージフォロア -9V Vout Vin1 +9V Vout Vin1 GND -9V …ジャンパー線(3本使用) Vout 【重要事項4】 オペアンプの向きに注意! 間違うと,電池が逆位置でオペアンプが壊れます 【重要事項1】 製作した回路の写真を撮影すること -9V 【重要事項2】 使用するICはオペアンプを4個持つ. 1個を使用し,回路を製作すること Vout Vin1 【重要事項3】 出力波形を必ずチェックしてもらうこと +9V ― + Vout Vin1 GND -9V …ジャンパー線(3本使用) 理論式 Vout = Vin1 0V +9V 【重要事項5】電池は2個使用

【実験2】 非反転増幅回路 R1 +9V R2 0V&GND Vout -9V Vin1 記号 回路定数 マルチメータ実測値 R1 【重要事項7】 下図に示すICの 形状を参考にすること. 【重要事項6】 すべての回路製作で抵抗器や コンデンサをマルチメータで 実測し,表に記入すること. R1 +9V R2 ― + 0V&GND Vout -9V Vin1 記号 回路定数 マルチメータ実測値 R1 200 kΩ kΩ R2 100 kΩ 理論式 R1 Vout = 1 + × Vin1 R2

【実験3】 反転増幅回路 R1 +9V R2 Vin1 Vout -9V 0V&GND 記号 回路定数 マルチメータ実測値 R1 ― + Vin1 Vout -9V 0V&GND 理論式 記号 回路定数 マルチメータ実測値 R1 200 kΩ kΩ R2 100 kΩ R1 Vout = - × Vin1 R2

【実験4】 加算回路 R1 R2 Vin1 +9V Vin2 Vout R3 -9V 0V&GND 記号 回路定数 マルチメータ実測値 R1 ― + Vin2 Vout R3 -9V 0V&GND 記号 回路定数 マルチメータ実測値 R1 200 kΩ kΩ R2 100 kΩ R3 理論式 R1 R1 Vout = - ×Vin1 + ×Vin2 R2 R3

【実験5】 差動増幅回路 R1 +9V R2 Vin1 Vout Vin2 R3 -9V R4 記号 回路定数 マルチメータ実測値 R1 ― + Vin1 Vout Vin2 R3 -9V R4 記号 回路定数 マルチメータ実測値 R1 200 kΩ kΩ R2 100 kΩ R3 R4 0V&GND 理論式 R1 Vout = - × (Vin1 – Vin2) R2 ※ R1=,R4, R2=,R3

【実験6】 微分回路 R1 +9V C1 Vin1 Vout -9V 0V&GND 記号 回路定数 マルチメータ実測値 R1 100 kΩ ― + Vin1 Vout -9V 0V&GND 記号 回路定数 マルチメータ実測値 R1 100 kΩ kΩ C1 1.0μF μF 理論式 d Vin1 Vout = - R1 C1 dt

∫ 【実験7】 積分回路 C1 R1 +9V Vin1 Vout -9V 0V&GND 記号 回路定数 マルチメータ実測値 R1 ― + Vin1 Vout -9V 0V&GND 記号 回路定数 マルチメータ実測値 R1 100 kΩ kΩ C1 1.0μF μF 理論式 1 ∫ t Vout = - Vin1 dt R1 C1

【実験8】 ハイパスフィルタ回路 R1 R2 +9V C1 Vin1 Vout -9V 0V&GND 記号 計測1回目 (実測値) ― + Vin1 Vout -9V 0V&GND 記号 計測1回目 (実測値) 計測2回目 R1 51 kΩ (    kΩ) 330 kΩ (    kΩ) R2 C1 1.0μF (    μF) R1 通過域の利得: - R2 1 遮断周波数(Hz): fc = 2π R1 C1

【実験9】 ローパスフィルタ回路 C1 R1 +9V R2 Vin1 Vout -9V 記号 計測1回目 (実測値) 計測2回目 R1 ― + Vin1 Vout -9V 記号 計測1回目 (実測値) 計測2回目 R1 51 kΩ (    kΩ) 330 kΩ (    kΩ) R2 C1 1.0μF (    μF) 0V&GND R1 通過域の利得: - R2 1 遮断周波数(Hz): fc = 2π R1 C1

【実験10】 二段の反転増幅回路(例:マイク入力) R3 音声計測1回目:パソコンをACアダプタで使用した状態 音声計測2回目:パソコンをバッテリで使用した状態 R4 +9V R1 ― + Vout R2 +9V MicIn ― + -9V 0V&GND&MicGND -9V 記号 回路定数 マルチメータ (実測値) R1 1MΩ (    MΩ) R2 47Ω (     Ω) R3 (     MΩ) R4 330kΩ (     kΩ) 0V&GND&MicGND 理論式 R1 R3 Vout = × × MicIn R2 R4

【実験11】 システムの理解 (1)配線図を完成せよ. 信号生成&計測装置 (NI USB-6008) 装置ラベル 回路ラベル Vin1 装置入出力電圧は共通のGND電圧を有するが,回路電圧とは異なるGND電圧を有する.すなわち,GND電圧は各装置/回路ごとに決めることができる(下図). 信号生成&計測装置 (NI USB-6008) +18V +9V 電池 (9V) 「装置ラベル」は,接続線の根本のラベル 「回路ラベル」は,接続線の先端のラベル +9V 0V (GND) または 電池 (9V) 0V (GND) -9V 装置ラベル 回路ラベル 入力信号 2 AI0+ PC 装置 回路 3 AI0- Vin1 接続線 5 AI1+ 信号入力 6 AI1- Vin2 出力信号 8 AI2+ 9 AI2- Vout 装置出力電圧 回路内電圧 装置入力電圧 AO0 5V +2.5V 14 5V 信号出力 Vout GND AI2+ 15 AO1 差分 2.5V 0V (GND) AI2- 30 +2.5V GND 0V (GND) 0V (GND) -2.5V

【実験11】 システムの理解 プログラムのフローチャート (2)使用ソフトウェアのソースコード 「OpAmpReader2015.cpp」を読み 空欄を埋めよ.(ソースコードは, デスクトップ上にあります.) 開始 「装置」の初期設定 記録周波数(AI0~AI2): __________________ [Hz] 電圧測定法(AI0~AI2):___________________測定法 入力電圧範囲(AI0~AI2): [V]~ [V] 出力電圧範囲(AO0~AO1) : [V]~ [V] ※ソースコード内のコメントに ヒントが書かれています. 装置のGNDと回路のGNDの 電圧値が異なることに注意して, 装置の出力電圧として示す 上記測定法に 対応するように 下記装置ラベル を左空欄に記入. 配線図も参考に 信号入力 (=「装置」入力電圧) Vin1-GND= - [V]    Vin2-GND= -      [V] Vout-GND= -      [V] AI0+ AI1+ AI2+ 「回路」内の信号電圧 Vin1:(正弦波) - 振 幅 ±   [V] - 周波数    [Hz] - 中心軸    [V] Vin2:(定電圧)     [V] AI0- AI1- AI2- 回路 信号出力(=「装置」出力電圧) AO0:(正弦波) 振幅 ± [V],周波数 [Hz],中心軸 [V] AO1:(定電圧)     [V] 装置 前スライドの 右図を参考に 信号の違いを記入 本日測定した信号(P9参考) 終了

※「回路図」「ソースコード」「本日計測したエクセルデータ」は, 【課題】 提出期限:次回実験日13時, 提出場所:A427室・扉横のボックス 実験1~9に対して, 入出力信号波形が比較できるグラフを作成し,波形の変 化(振幅・周波数・位相・中心軸など)を分析せよ.なお, レポートには回路図(回路定数を含む)や製作した回路の 写真も載せること. 「実測した抵抗器・コンデンサの値」と「実測したVin1,Vin2 の値」を理論式に入れ「Voutの理論値」を算出し,「実測し たVout値」との差を考察せよ.なお,差を分かりやすく示 す図もしくは表を作成し考察に利用すること. 「反転増幅と非反転増幅の用途の違い」「微分回路とハ イパスフィルタ,積分回路とローパスフィルタの関係性」な ど各回路の役割や関係性を考察せよ. ※「回路図」「ソースコード」「本日計測したエクセルデータ」は, <http://www.koj-m.sakura.ne.jp/kikaikogakujikken/>からダウンロード可能.

※「回路図」「ソースコード」「本日計測したエクセルデータ」は, 【課題】 提出期限: 次回実験日13時, 提出場所:A427室・扉横のボックス 実験10に対して 実験10における「2段の非反転増幅回路」の問題点を考察 せよ. より適切に音声を計測できる回路図(回路定数も含む)を 提案し,その性能を解説せよ. パソコンのACアダプタ有・無のノイズの違いを考察せよ. 実験で使用した「NI USB-6008」は,National Instruments社製 データ取得装置であり,計測制御の分野において広く利用され ている.実験11の結果やUSB-6008の仕様書を参考にし,今回 のシステムの特性を解説せよ. ※「回路図」「ソースコード」「本日計測したエクセルデータ」は, <http://www.koj-m.sakura.ne.jp/kikaikogakujikken/>からダウンロード可能.