ELE3IES5FIE.pdf

download ELE3IES5FIE.pdf

of 8

Transcript of ELE3IES5FIE.pdf

  • 8/16/2019 ELE3IES5FIE.pdf

    1/8

  • 8/16/2019 ELE3IES5FIE.pdf

    2/8

    ELE3IES/ELE5FIE Instrumentation Electronics & Sensors 2016  Practical Session 3 

    4 Preparing the Prototype Board 

    1. If  coloured 4mm connector posts are available, install them in the three large holes at the end of  

    the board. 

    2. If  coloured 4mm connector posts are not available: (a) Cut three insulated wires (red, green and black), about 1 m each, from the reels, and 

    (b) Attach them to the board in locations shown in figure 1. 

    3. If  available, insert 0.1uF and 10uF capacitors between the power rails and ground. Remember the 

    10uF capacitors are polarised. Check correct polarity before soldering. 

    4. Solder the small  jumper wires into the board. 

    Figure 1. Board layout for power routing. 

    5 Power

     Supply

     

    1. Turn the Tektronix DC power supply on and check that both A and B supplies are set to 12V 

    2. Always check the voltage before attaching your circuit to the power supply! 

    3. Turn the power off. 

    4. Attach wires as shown in figure 2. 

    5. Turn the power on. Using DMM, confirm the board is receiving ±12V. 

    6.  ALWAYS TURN THE POWER OFF BEFORE SOLDERING.

    Figure 2. Power supply connection diagram 

  • 8/16/2019 ELE3IES5FIE.pdf

    3/8

    ELE3IES/ELE5FIE Instrumentation Electronics & Sensors 2016  Practical Session 3 

    6 Differential Signal Generator 

    We will build a slightly‐modified version of  the differential signal generator simulated in Lab 1. Note 

    that we have added a voltage divider to the op‐amp input to attenuate the input signal. 

    6.1 Build 

    1. Start building the circuit in Figure 3 by placing the 14‐pin IC socket in the board at  the end  of  the 

    board   furthest   from the three large holes (ask  the demonstrator  staff  before commencing soldering). 

    . Do not insert the op amp into the socket until you have finished building the whole circuit. 

    2. The recommended board layout has been given as a guide in Figure 5, except, as mentioned  

    above, the components should  be mounted  at  the end  of  the board   furthest   from the three large 

    holes 

    3. The op‐amp requires power to operate. (+12V on pin 4 and ‐12V on pin 11) 

    4. A 110k Ω resistor for R3 can be made by putting a 100KΩ resistor in series with a 10KΩ. 

    5. Finish building the circuit neatly. Do not turn the power on just yet. 

    Figure 3. Differential signal generator schematic 

    Figure 4. LM348 quad op‐amp IC pin out (from NationaLSemiconductor  Datasheet). 

  • 8/16/2019 ELE3IES5FIE.pdf

    4/8

    ELE3IES/ELE5FIE Instrumentation Electronics & Sensors 2016  Practical Session 3 

    Figure 5. Recommended layout for differential signal generator (BUT SEE NOTES IN TEXT) 

    6.2 Unused Op‐Amps Within A Package 

    Before we test the differential signal generator it is wise to consider the two unused op‐amps in the 

    LM348  IC package. The best  result  is achieved when  the unused op‐amps are consuming minimal 

    power.  This  is  achieved  by  setting  the  op‐amp  output  to  0V when  using  a  dual‐supply  op‐amp. 

    Theoretically, both circuits shown below should provide an output of  0V. 

    Figure 6. Alternative circuits to zero the op‐amp output. 

    1. Simulate the two circuits shown in Figure 6 using LTspice. 

    2. Which circuit produces a 0V output? Explain why the other one does not. 

    3. Explain the importance of  neutralising unused op‐amps. 

    4. What are the typical and maximum input offset voltages of  the LM348? (Refer to datasheet) 

    5. Neutralise the unused op‐amps on your board. Use 10KΩ resistor for the feed‐back loop of  the 

    first op‐amp and a 100KΩ resistor for the second. This will allow you to easily expand your circuit 

    later on (refer to feedback resistors in figure 7). 

  • 8/16/2019 ELE3IES5FIE.pdf

    5/8

    ELE3IES/ELE5FIE Instrumentation Electronics & Sensors 2016  Practical Session 3 

    6.3 CRO Setup 

    If  using a Tektronix TDS 2002B digital storage CRO in this lab,  take the time to familiarise yourself  with 

    its User Manual if  available. You can make very accurate measurements using the measurement and 

    cursor functions of  the CRO. You must however setup the CRO properly. 

    1. Attach a CRO probe to Channel 1. Plug the BNC socket in and then turn it to lock it in place. 

    2. Place the CRO probe on the PROBE COMP (compensation) output of  the CRO. 

    (Image from Tektronix User Manual) 

    3. Press the AUTOSET button. A 5Vpp 1kHz square wave should appear on the screen. 

    4. Make sure probe attenuation is set to  x10 if  you do not get 5Vpp. 

    5. Finally press the Probe Check button. A message saying the probe has passed will appear on the 

    screen, otherwise replace the probe or check CRO settings. 

    6. Connect another probe to Channel 2 and repeat above steps. 

    6.4 Test 

    We can test the circuit you built by connecting a signal generator into the input and measuring the 

    outputs using a CRO. 

    1. Turn the power supply on and make sure the op‐amp is receiving power. 

    2. Confirm your unused op‐amps output 0V using DMM. 

    3. Connect the signal generator to the input of  the circuit. 

    4. Apply a 1 kHz sine wave with 1.1V amplitude, use CRO to measure voltage. 

    5. Confirm the circuit is functioning by looking at the outputs A and B using a CRO. 

    6. By what factor is the input voltage reduced when it travels through the voltage divider R4 & 

    R5? Use Ohm’s Law to confirm. 

    7. Measure the gain of  both op‐amps. Does this agree with the simulated results in Lab 1? 

    8. Increase the input sine wave amplitude until the output is  just below saturation. 

    9. Measure slew rate by increasing the input frequency until the output no longer exhibits a 

    sinusoidal form. 

    10. At what frequency does this occur? 

    11. Slew rate is equal to the positive slope of  the sawtooth wave seen. Measure the slope and record 

    it as the slew rate with units V/μs. 

    12. Compare with the slew rate given in the manufacturer’s datasheet. Explain why your result is 

    different. 

  • 8/16/2019 ELE3IES5FIE.pdf

    6/8

    ELE3IES/ELE5FIE Instrumentation Electronics & Sensors 2016  Practical Session 3 

    7 Two Op‐Amp Instrumentation Amplifier 

    Figure 7. Two op‐amp instrumentation  amplifier schematic. 

    1. Build the circuit in figure 7 using the unused op‐amps which were neutralised previously. Note 

    that you would already have R7 and R9 installed. 

    2. Attach the outputs from the differential signal generator into the inputs of  the instrumentation 

    amplifier. ( Aout  and Bout  go to  Ain and Bin respectively) 

    3. Reduce the amplitude of  the signal generator to 100mV, keeping the frequency at 1 kHz. 

    4. Observe the signal at the output of  the instrumentation amplifier. Is it what you expected? 

    7.1 Differential Gain and Bandwidth 

    1. Measure the gain of  the instrumentation amplifier v o / (v  Ain ‐v Bin). Since it is receiving a differential 

    signal input, we call this the differential gain ( Ad ). 

    2. Compare the measured differential gain to the one calculated in the preliminary work. 

    3. Slowly reduce the input frequency and confirm the differential gain does not decrease even at 

    very low frequencies (i.e. the low break‐frequency,  f L = 0Hz). 

    4. Now increase the input frequency until the gain begins to diminish. 

    5. The high break frequency is the point at which the mid‐band gain of  the amplifier decreases by a 

    factor of    2. 

    6. Determine  Ad  /   2  ( Ad  = differential gain measured in step 1) Note: 1/   2  70% 

    7. Increase input frequency until a gain of   Ad  /   2 is found. Mark this frequency as the high break 

    frequency ( f H). 

    8. As a check, measure also the phase shift between the input and output waveforms (see Figure 8). 

    9. Determine the differential mode bandwidth of  the amplifier: BW = f H  – f L 

  • 8/16/2019 ELE3IES5FIE.pdf

    7/8

    ELE3IES/ELE5FIE Instrumentation Electronics & Sensors 2016  Practical Session 3 

    Figure 8. input and output phase difference: Phase = 360o  x  t/T  

    7.2 Common Mode Gain, Bandwidth and CMRR 

    Figure 9. Instrumentation amplifier with common‐mode input. 

    1. Disconnect the differential signal generator from the instrumentation amplifier ( Aout  and 

    Bout  must be disconnected from  Ain and Bin respectively). 

    2. Connect  Ain and Bin together so both op‐amps receive the same input (figure 9). Then connect 

    this point to the signal generator. 

    3. Apply a 1 kHz sine wave with 5V amplitude to the instrumentation amplifier. 

    4. Measure the common mode gain: 

    5. Compare the measured common mode gain with that calculated in the preliminary work. 

    Explain why it is different. 

    6. Measure the common mode bandwidth. 

    7. Determine the Common Mode Rejection Ratio: 8. Is it better to have an instrumentation amplifier with a high or low CMRR? 

  • 8/16/2019 ELE3IES5FIE.pdf

    8/8

    ELE3IES/ELE5FIE Instrumentation Electronics & Sensors 2016  Practical Session 3 

    7.3 Adjustable Gain 

    Figure 9. Modified instrumentation amplifier. 

    1. Modify the instrumentation amplifier by connecting R10 as shown in figure 9. 

    2. Determine the following: 

    a. Differential‐mode gain 

    b. Differential‐mode bandwidth 

    c. Common mode gain 

    d. Common mode bandwidth 

    e. CMRR 

    3. What effect does R10 have on the circuit? 

    4. Insert another 10KΩ resistor in parallel with R10, effectively making it 5KΩ. 

    5. Repeat measurements made in step 2. 

    8 Investigation 

    If  time and resources permit, do the following as an investigative exercise: 

    1. 

    Use the frequency sweep function of  the signal generator and the FFT function of  the CRO to 

    confirm the bandwidth measurements made earlier 

    2. 

    Modify the differential signal generator to include an interference source (refer to lab 1). Use 

    another signal generator to provide common mode interference of  50Hz. Observe the outputs 

    of  the differential signal generator and the instrumentation amplifier. 

    9 Report 

    You 

    must  

    write 

    report  

     for  

    this 

    lab. 

    It  

    is 

    to 

    be 

    completed  

    individually . You will have the same results 

    as your lab partner, but your explanations and answers to questions need to be your own. You must 

    answer all questions including those below: 

    1. What is the purpose of  an instrumentation amp? What applications does it have? 

    2.  You  measured  the  gains  and  bandwidths  of   the  instrumentation  amp  with  three  different 

    configurations: without R10, with R10 = 10KΩ, and R10 = 5KΩ. Present these results in a table. 

    3. What  is  the effect of   increasing gain on CMRR and bandwidth? Do you  think  this  should be an important design consideration?