2017 年度 v1 1 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 オペアンプの回路 ( 音楽との関連 ) 入力信号 機能 - 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
使用方法 1 実験装置 PC Visual C++ & Excel2013 自作ソフトウェア OpAmpReader2015.exe 信号 Vin2 の計測 & データ保存 Microsoft Excel 2013 信号 Vin2 のグラフ化 分析 信号生成 & 計測装置 (NI USB-6008) 回路素子 電池 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 ブレッドボードからの信号出力 (PC への信号入力 ) GND,Vin2, の共通グランド Vin2 GND オペアンプ抵抗器コンデンサ 0V ブレッドボード ( 回路試作基板 ) 10 種の回路製作 & 信号計測 2
使用方法 2 ブレッドボードの通電箇所 ( 黄線 ) 3 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 4 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 10 3 Ω 色 第一色第二色第三色 (10の位) (1の位) ( 倍率 ) 黒 0 0 10 0 茶 1 1 10 1 赤 2 2 10 2 橙 3 3 10 3 黄 4 4 10 4 緑 5 5 10 5 青 6 6 10 6 紫 7 7 10 7 灰 8 8 10 8 白 9 9 10 9
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 5 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. ( 注 ) 1 Vin2 ファイル名 2 6 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) 7 2 1 3 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) 8 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 Vin2 の計測 9 100kΩ 100kΩ 0V&GND Vin2 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 Vin2 100kΩ 0V&GND ジャンパー線 (2 本使用 ) 信号種類 正弦波 ( 振幅 V) ( 周期 秒 ) GND 抵抗器 100kΩ (3 個使用 ) Vin2 定電圧 ( V)
実験手順 10 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 Vin2 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, Vin2 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 重要事項 1 製作した回路の写真を撮影すること 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 重要事項 3 出力波形を必ずチェックしてもらうこと 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 11 理論式 + GND ジャンパー線 (3 本使用 ) = 0V 重要事項 5 電池は 2 個使用
実験 2 非反転増幅回路 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. 重要事項 7 下図に示す IC の形状を参考にすること. 12 0V&GND + 理論式 = 1 + 記号 回路定数 マルチメータ実測値 200 kω kω 100 kω kω
実験 3 反転増幅回路 13 + 0V&GND 理論式 = - 記号 回路定数 マルチメータ実測値 200 kω kω 100 kω kω
実験 4 加算回路 14 Vin2 R3 + 0V&GND 理論式 = - + Vin2 R3 記号 回路定数 マルチメータ実測値 200 kω kω 100 kω kω R3 100 kω kω
実験 5 差動増幅回路 15 Vin2 + 理論式 = - R3 R4 0V&GND ( Vin2) 記号 回路定数 マルチメータ実測値 200 kω kω 100 kω kω R3 100 kω kω R4 200 kω kω =,R4, =,R3
実験 6 微分回路 16 C1 + 0V&GND 理論式 = - C1 d dt 記号 回路定数 マルチメータ実測値 100 kω kω C1 1.0μF μf
実験 7 積分回路 17 C1 + 0V&GND 理論式 = - 1 C1 t dt 0 記号 回路定数 マルチメータ実測値 100 kω kω C1 1.0μF μf
実験 8 ハイパスフィルタ回路 18 C1 + 0V&GND 通過域の利得 : - 遮断周波数 (Hz): fc = 1 2π C1 記号 C1 計測 1 回目 ( 実測値 ) 51 kω ( kω) 51 kω ( kω) 1.0μF ( μf) 計測 2 回目 ( 実測値 ) 330 kω ( kω) 330 kω ( kω) 1.0μF ( μf)
実験 9 ローパスフィルタ回路 C1 19 通過域の利得 : - 遮断周波数 (Hz): fc = 0V&GND 1 2π C1 + 記号 計測 1 回目 ( 実測値 ) ( 51 kω kω) ( 51 kω kω) C1 ( 1.0μF μf) 計測 2 回目 ( 実測値 ) 330 kω ( kω) 330 kω ( kω) 1.0μF ( μf)
実験 10 二段の反転増幅回路 ( 例 : マイク入力 ) 20 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 MicIn R4 + R3 理論式 + 0V&GND&MicGND = R3 R4 MicIn 0V&GND&MicGND 記号 回路定数 マルチメータ ( 実測値 ) 1MΩ ( MΩ) 47Ω ( Ω) R3 1MΩ ( MΩ) R4 330kΩ ( kω)
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 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 装置ラベル 回路ラベル 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 ). 電池 (9V) 電池 (9V) +18V 0V (GND) または 21 0V (GND) 信号入力 信号出力 2 3 5 6 8 9 14 15 30 Vin2 GND 装置出力電圧 5V 2.5V 0V (GND) 入力信号 PC 装置回路 接続線 出力信号 AI0+ AI0- AI1+ AI1- AI2+ AI2- AO0 AO1 +2.5V 回路内電圧装置入力電圧 +2.5V 5V AI2+ 0V 差分 (GND) GND AI2- -2.5V 0V (GND)
実験 11 システムの理解 プログラムのフローチャート 22 (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.) 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 回路 内の信号電圧 :( 正弦波 ) - 振幅 ± [V] - 周波数 [Hz] - 中心軸 [V] Vin2:( 定電圧 ) 本日測定した信号 (P9 参考 ) [V] 前スライドの右図を参考に信号の違いを記入 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] 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 ) 信号入力 (= 装置 入力電圧 ) -GND= - [V] Vin2-GND= - [V] -GND= - [V] 終了 [V] 上記測定法に対応するように下記装置ラベル AI0+ AI0- AI1+ AI1- AI2+ AI2- を左空欄に記入. 配線図も参考に
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 23 1. 実験 1~9 に対して, 1 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. 2 実測した抵抗器 コンデンサの値 と 実測した,Vin2 の値 を理論式に入れ の理論値 を算出し, 実測した 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. 3 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.
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 24 2. 実験 10 に対して 1 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. 2 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. 3 パソコンの AC アダプタ有 無のノイズの違いを考察せよ. 3. 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.