Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Практична робота № 5
Тема: Дослідження ОП
Мета: вивчення принципів роботи, головних параметрів та характеристик операційного підсилювача ОП, дослідження ОП у вигляді масштабного підсилювача, суматора, диференціатора та інтегратора.
Теоретичні відомості
Досліджуваний підсилювач називається операційним тому, що він може використовуватись для виконання різних математичних операцій над сигналами: алгебраїчного додавання, віднімання, множення на постійний коефіцієнт, інтегрування, диференціювання, логарифмування і т.д. Операційним часто називають підсилювач напруги з великим коефіцієнтом підсилення, охоплений ланцюгом від'ємного зворотного зв'язку, який визначає основні якісні показники та характер виконуваних підсилювачем операцій. Сучасні ОП виконуються на базі інтегральних мікросхем операційного підсилювача ІМС ОП, до виводів якої, крім ланцюга від'ємного зворотного зв'язку, підключаються джерело живлення, вхідних сигналів, опору навантаження, ланцюги корекції частотних характеристик ОП в інтегральному виконанні та інші ланцюги.
ОП - це підсилювач постійного струму (ППС), його амплітудно-частотна характеристика не має завалу в області низьких частот, оскільки ОП не містить роз'єднувальних конденсаторів. Для того, щоб при відсутності вхідних сигналів потенціал виходу можна було звести до нуля (потенціалу землі), живлення ОП роблять двополярним та звичайно симетричним (наприклад, +/-12,6 В).
Рисунок 1 - Умовне позначення ОП. Види вхідних напруг
На рис 1а показано умовне позначення ОП з одним виходом та двома входами: прямим та інверсним. Інверсний вхід позначають знаком інверсії (колом) або позначають знаком "-". Прямий вхід 1 не має знака інверсії або його позначають знаком "+". В загальному випадку на виводи ОП 1 та 2 надходять напруги Uвх1 та Uвх2, які називають напругами загального виду. З них виділяють синфазний UСФ = (Uвх1+Uвх2)/2 та диференційний Uдив = Uвх1 - Uвх2 сигнали (рис 1б). Відносно UСФ потенціал вхідного виводу 1 вище, а виводу 2 - нижче на значення U, а диференційний (різницевий) сигнал Uдиф = 2U. Операційний підсилювач призначений для підсилення невеликого (диференційного) сигналу. Синфазний сигнал схемою ОП повинен бути максимально ослаблений. Вихідна напруга Uвих знаходиться у фазі (синфазно) з напругою на вході 1 Uвх1, та протифазно напрузі на вході 2 Uвх2.
На рис 2 зображено амплітудні характеристики ОП для випадків: а - вхідний сигнал подається на інверсний вхід 2, а неінверсний вхід 1 заземлений (Uвих протифазно Uвх1); б - вхідний сигнал подається на неінверсний вхід 1, а інверсний вхід 2 заземлений (Uвих синфазно Uвх1) Вихідна напруга Uвих знімається відносно середньої точки джерела живлення. Якщо Uвх=0, то Uвих=0, що відображує умови балансу ОП. При відсутності зовнішнього ланцюга зворотного зв'язку уклін амплітудних характеристик (рис 2) визначається коефіцієнтом підсилення напруги ОП
Характерним для амплітудних характеристик ОП є наявність двох областей насичення +Uвихнас та -Uвихнас, при досягненні яких вихідна напруга залишається незмінною і не залежить від змін вхідної напруги. ОП в інтегральному виконанні характеризується великим коефіцієнтом підсилення напруги, високим вхідним та низьким вихідним опором.
Рисунок 2 - Амплітудна характеристика операційного підсилювача
В залежності від того, на які входи ОП діють вхідні сигнали, розрізняють три схеми підключення ОП в інтегральному виконанні: інвертувальні, неінвертувальні та диференціальні (рис 3- 5). Ці схеми мають ряд загальних особливостей: 1- наявність елементів від'ємного зворотного зв'язку ВЗЗ; 2 - при виводі аналітичних виразів для оцінки основних параметрів ОП приймають значення
так як ІМС ОП мають дуже високий коефіцієнт підсилення напруги (Кuоп=>нескінченість ); 3 - вхідний струм вважають рівним нулю, так як ІМС ОП має високий вхідний опір (Rвхоп=>нескінченість).
Інвертувальний операційний підсилювач (рис 3a). В цій схемі вхідний сигнал подається на інвертувальний (інверсний) вхід ІМС ОП, а його неінвертувальний (прямий) вхід заземлений. Підсилювач називається інвертувальним, так як вихідна напруга UВИХ інвертувальна (протифазна) відносно вхідної напруги UВХ. Від'ємний зворотний зв'язок відтворюється при допомозі опору R2, R1 (паралельний ВЗЗ за напругою).
Так як вхідний струм ІМС ОП ІВХОП=І 0, то
Вихідна напруга в останньому виразі входить із знаком мінус, так як вона знаходиться у протифазі вхідній напрузі.
На основі співвідношень (1, 2) одержимо вираз для визначення коефіцієнта підсилення напруг схемою інвертувального ОП: Оскільки RВХ реальної мікросхеми ОП не дорівнює безконечності, то через її входи протікають незначні вхідні струми, які при UВХ 0 можуть визвати помилкові зміни вихідного сигналу. Для їх компенсації необхідно забезпечити рівність опорів входів ІМС ОП. Тому в схему вводиться опір
Інвертувальний ОП (рис 3a) може використовуватись для зміни масштабу вхідної напруги множенням її на постійний коефіцієнт (-R2/R1), а також для алгебраїчного додавання вхідних сигналів (як аналоговий суматор рис 3б). Напруга на виході такої схеми
Рисунок 3 - Інвертувальна схема ввімкнення операційного
підсилювача (a), аналоговий суматор (б)
Хід роботи
Запустіть Electronics Workbench.
2. Підготуйте новий файл для роботи. Для цього необхідно виконати такі операції з меню: File/New і File/Save as. При виконанні операції Save as буде необхідно вказати ім'я файлу і каталог, у якому буде зберігатися схема.
3. Розгляньте схеми на рис 6 - 10, і послідовно виконайте їх моделювання.
4. Перенесіть необхідні елементи з заданої схеми на робочу область Electronics Workbench. Для цього необхідно вибрати розділ на панелі інструментів (Sources, Basic, Diodes, Transistors, Analog Ics, Mixed Ics, Digital Ics, Logic Gates, Digital, Indicators, Controls, Miscellaneous, Instruments), у якому знаходиться потрібний вам елемент, потім перенести його на робочу область.
5. З'єднайте контакти елементів і розташуйте елементи в робочій області для одержання необхідної вам схеми. Для з'єднання двох контактів необхідно клацнути на один з контактів лівою кнопкою миші і, не відпускаючи клавішу, довести курсор до другого контакту. У разі потреби можна додати додаткові вузли (розгалуження). Натисканням на елементі правою кнопкою миші можна одержати швидкий доступ до найпростіших операцій над положенням елементу, таким як обертання (rotate), розворот (flip), копіювання/вирізання (copy/cut), вставка (paste).
6. Проставте необхідні номінали і властивості кожному елементу. Для цього потрібно двічі виконати подвійне натискування лівою кнопкою миші на зображенні елементу.
7. Коли схема зібрана і готова до запуску, натисніть кнопку ввімкнення живлення на панелі інструментів. У випадку серйозної помилки в схемі (замикання елемента живлення накоротко, відсутність нульового потенціалу в схемі) буде видано попередження.
8. Зробіть аналіз схеми, використовуючи інструменти індикації. Виклик термінала здійснюється подвійним натисканням клавіші миші на елементі. У випадку потреби можна скористатися кнопкою Pause.
9. При необхідності зробіть доступні аналізи в розділі меню Analysis.
10. Зробіть висновки.
Дослідження інвертувальної схеми ввімкнення ОП
1. Зібрати схему підсилювача, приведену на рис.14.6, де R1=1кОм, R2=200кОм, R3=1кОм, R4=2кОм.
2. Зняти та побудувати амплітудну характеристику на частоті f=1кГц. Визначити UВХМАХ, при якому з'являються нелінійні викривлення вихідного сигналу.
3. Визначити вхідний та вихідний опір ОП та коефіцієнт підсилення КU на частоті f =1кГц при UВХ<UВХМАХ.
4. Зняти та побудувати АЧХ при UВХ<UВХМАХ. Визначити частоту зрізу fЗ.
5. При допомозі перемичок зібрати схему інвертувального повторювача напруги, у якого R1=20кОм, R2=20кОм, R3=1кОм, R4=2кОм, зняти та побудувати його амплітудну характеристику на f=1кГц, зняти та побудувати АЧХ. Визначити частоту зрізу fЗ.
Інвертувальна схема ввімкнення ОП
Зібрати схему інвертувального суматор для додавання двох вхідних сигналів UВХ1 та UВХ2.
Схема інвертувального суматора
Значення опорів, на які подаються вхідні напруги, та резистора в колі зворотного зв'язку взяти 20кОм. Резистор, необхідний для компенсації впливу струмів зміщення, повинен мати номінал біля 6,65кОм. Впевнитись в тому, що UВИХ =-(UВХ1+UВХ2). В якості напруги UВХ1, використовувати напругу від генератора прямокутних імпульсів, у якості UВХ2 - напруга від генератора синусоїдальної напруги, для наглядності необхідно виконати умову Т1>>Т2.
7. Привести осцилограми на входах та виходах суматора.
Дослідження неінвертувальної схеми ввімкнення ОП
1. Зібрати схему підсилювача, приведену на рис 8, де R1=1кОм, R2=20кОм, R>2кОм.
2. Провести операції, ідентичні пунктам 2-4, виконувані при дослідженні інвертувального ОП.
Неівертувальна схема ввімкнення ОП
Дослідження схеми диференційного ввімкнення ОП
Зібрати схему підсилювача (рис 10), де Rн>2кОм, R1=R4=1кОм, R2=R3=20кОм. Впевнитись в тому, що схема віднімає вихідні напруги. В якості напруги UВХ1 можливо використовувати синусоїдальну напругу від генератора з параметрами UВХ1МАХ=1,8В, Т1=12,4мс, а в якості UВХ2 використовувати імпульси від генератора прямокутних імпульсів з параметрами UВХ2МАХ=0,6В, tU2 700мс, dПОВТ=200Гц.
Схема диференційного ввімкнення ОП
Контрольні запитання.
Дайте характеристику призначення, параметрів, характеристик та особливості використання ОП.
2. Приведіть схеми інвертувального, неінвертувального та диференціального ввімкнення ІМС ОП визначте їх основні параметри та дайте порівняльну характеристику.
3. Дайте характеристику неінвертувального та інвертувального повторювача напруги та приведіть їх схемну реалізацію.
4. Нарисуйте суматор напруг та дайте характеристику його особливостям.
5. Нарисуйте амплітудно-частотну характеристику ІМС ОП та операційного підсилювача, виконаного на ІМС ОП, який містить в собі елементи зворотного зв'язку. Порівняйте ці характеристики та зробіть висновки.
6. Як здійснюється та для чого необхідна корекція частотних характеристик ІМС ОП?