機械工学実験実習 「オペアンプの基礎と応用」

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1 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

2 【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

3 【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

4 【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

5 【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

6 【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． 　　　<

7 【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）．

8 【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．

9 【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

10 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，<

11 【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

12 【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

13 【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

14 【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

15 【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

16 【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

17 ∫ 【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

18 【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

19 【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

20 【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

21 【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

22 【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

23 ※「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， <

24 ※「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， <