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
ВВЕДЕНИЕ
Операционный усилитель (ОУ) – это аналоговая интегральная микросхема (ИМС)с очень большим собственным коэффициентом усиления по напряжению (103...106). Условное обозначение ОУ показано на рис. 1 (и – инвертирующий вход, н - неинвертирующий вход). Идеальная передаточная характеристика ОУ представляет собой зависимость выходного напряжения (Uвых) от разности напряжений на его входах:
Uвых = А(ен – еи) = Аес,
где А – собственный коэффициент усиления ОУ
(А = 103 ... 106);
Рис. 1
ес = (ен – еи) – разность напряжений на входах ОУ: дифференциальный (разностный сигнал).
Идеальный ОУ чувствителен только к разности входных напряжений ес и нечувствителен к любой составляющей входных сигналов, общей для обоих входов. Такая составляющая называется синфазным сигналом и определяется как (ен + еи)/2.
Передаточная характеристика идеального ОУ показана на рис. 2. Линейная область характеристики определяется уравнением Uвых = Aec и ограничена с обеих сторон областями насыщения. При собственном коэффициенте усиления А = 100.000 и при напряжении питания Еп = 15 В максимальное входное напряжение, соответствующее максимальному выходному напряжению Uвых max = Еп – 2 = 13 В, будет: ес = 13/105 =
= 0,15 мВ. При меньших напряжениях питания и большем собственном коэффициенте усиления ОУ ширина линейной зоны (рис. 2) сравнима с уровнем шумов. Поэтому без дополнительных цепей ОУ не используется в качестве линейного усилителя. В линейном режиме необходима отрицательная обратная связь (ООС), когда часть выходного напряжения подается на инвертирующий вход ОУ.
Для идеального ОУ существуют два основных правила:
Рис. 2
ОУ обладает таким большим коэффициентом усиления по напряжению, что изменение напряжения между его входами на несколько долей милливольта вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона. Отсюда следует, что выход ОУ стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю.
ОУ потребляет достаточно малый входной ток (до 0,08 мкА), поэтому для идеального ОУ можно считать, что его входы не потребляют тока.
Первое правило вовсе не означает, что ОУ действительно изменяет напряжение на своих входах. Это невозможно и несовместимо со вторым правилом. В действительности ОУ "оценивает" состояние входов и с помощью внешней схемы ОС передает напряжение с выхода на вход, так что в результате разность напряжений между его входами становится равной нулю, если это возможно.
Источник постоянного напряжения может быть подключен к ОУ так, как показано на рис. 3. Однако для простоты электрические связи подключения источника питания обычно на схеме не показываются. Диапазон напряжений источников питания лежит в пределах (3 ... 18) В. Выходное и входное напряжения ОУ снимаются относительно средней точки ("земли"). Применение источников питания со средней точкой (рис. 3а) позволяет подавать на входы ОУ напряжения как выше, так и ниже нулевого потенциала ("земли"), т.е. получать двухполярный выходной сигнал. В случае применения двух источников со средней точкой необходимо, чтобы напряжения обоих источников были одинаковыми. При питании ОУ от одного источника постоянного напряжения (рис. 3б) входное напряжение может изменяться только в одну сторону относительно нулевого потенциала, и, следовательно, входное напряжение может быть только однополярным. В любом случае величина напряжения на выходе ОУ не может превышать напряжения источников питания. При этом максимальное выходное напряжение ниже питающего примерно на (1 ... 2) В, а при низкоомной нагрузке диапазон изменения выходного напряжения еще меньше. При включении одного источника питания нижний предел выходного напряжения равен потенциалу "земли" (в идеале нулю).
а) б)
Рис. 3
Эквивалентная схема ОУ показана на рис. 4. Напряжение между и-входом и н-входом измеряются относительно нулевого потенциала ("земли"). Параметры схемы:
Uвх = (ен – еи) = ес – дифференциальный входной сигнал (полезный сигнал);
Uсинф = (еи + ен)/2 – синфазный входной сигнал (помеха); приложен одновременно к и-входу и н-входу;
Rвх – дифференциальное входное сопротивление между входами ОУ (отношение приращения входного напряжения к приращению активной составляющей входного тока);
Rсинф – сопротивление утечки между одним из входов и "землей" (отношение приращения синфазного напряжения к приращению средней величины входного тока);
Rвых – выходное сопротивление (отношение приращения выходного напряжения к активной составляющей выходного тока);
Uсм – напряжение смещения (на эквивалентной схеме обычно показывают один источник Uсм, а другой источник Uсм заменяют короткозамкнутой цепью). Модуль напряжения Uсм измеряется при Uвх = Uвых = 0 и показывает какое необходимо подать Uсм, чтобы обеспечить Uвых = 0;
I–см – ток смещения и-входа (ток режима ОУ);
I+см – ток смещения н-входа (ток режима ОУ);
Iвх = (I+см + I–см)/2 – средний входной ток;
Iвх = |I+см + I–см| – разность токов смещения, измеренная при Uвых = 0.
Рис. 4
Цель лабораторных работ - расчет и экспериментальное исследование типовых схем, основу которых составляет интегральный операционный усилитель.
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА
Лабораторные работы по изучению свойств операционных усилителей проводятся на сменной панели, установленной на универсальном лабораторном стенде. Панель подсоединяется к стенду с помощью штепсельного разъема.
В состав сменной панели входят два операционных усилителя типа К140УД7. Питание ОУ производится на внешние клеммы не выведено. На панель выведена только "земля". Все электрические соединения производятся с помощью соединительных проводов, имеющихся на каждом стенде. Дополнительные элементы схемы (резисторы, конденсаторы и т.п.) устанавливаются в гнезда сменной панели с помощью специальных колодок.
После сборки схемы к ней необходимо подключить измерительные приборы. В комплекте универсального лабораторного стенда имеются следующие измерительные приборы: двухканальный осциллограф С1-83, электронный вольтметр В3-38, электронный вольтметр В7-27, комбинированный измерительный прибор АВО-5М. Кроме этого в универсального комплект стенда входят лабораторный источник постоянного напряжения ТЭС-23 и генератор синусоидальных напряжений Г3-109.
Перед подключением измерительных приборов к исследуемой схеме следует еще раз проверить правильность соединений собранной самой схемы, убедиться, что ручки управления лабораторного источника и генератора Г3-109 выставлены в положения, обеспечивающие минимальные токи и напряжения. Кроме того, если диапазон измеряемых величин не известен, на измерительных приборах нужно выставить максимальные пределы измерений.
При подключении измерительных приборов следует помнить, что корпуса измерительных приборов и универсального стенда соединены между собой через шину заземления, т.е. неправильное подключение выводов измерительных приборов (например осциллографа) может привести к коротким замыканиям участков схемы, особенно выходов ОУ.
Работа № 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ИНВЕРТИРУЮЩЕЙ
И НЕИНВЕРТИРУЮЩЕЙ СХЕМ ОУ
Цель работы: научить вычислять и измерять коэффициент усиления инвертирующего и неинвертирующего усилителей с идеализированным ОУ.
Рис. 5
Инвертирующая схема ОУ показана на рис. 5. Для и-входа можно записать
,
откуда
; ен = 0.
Согласно правилу 1 ен – еи 0, т.е. ен еи. Следовательно:
U1R2 + Uвых R1 = 0
Тогда коэффициент усиления инвертирующего усилителя
.
Знак "–" показывает, что входное и выходное напряжения ОУ находятся в противофазе.
Для неинвертирующей схемы ОУ (рис. 6) соотношение для определения еи запишется в виде:
Рис. 6.
,
откуда
; eн = U2.
Используя правило 1, получаем
UвыхR1 = U2 (R1 + R2),
т. е. коэффициент усиления неинвертирующего ОУ определяется соотношением
.
Выражения для коэффициентов усиления kи и kн соответствуют общему выражению для определения коэффициента усиления идеального ОУ в линейном режиме с бесконечным собственным коэффициентом усиления, охваченного ООС. Принципиально важным является то, что величина и стабильность коэффициента усиления определяются пассивными элементами, входящими в цепь ООС, т.е. резисторами R1 и R2.
Порядок выполнения работы
,
где = R/R - относительная погрешность; R – абсолютная погрешность; R –номинальное значение выбранного сопротивления (например, для R = 30 кОм 5%,
R = 1,5 кОм);
4. Рассчитать и построить зависимости Uвых = f(Uвх) для kmin и kmax. Графики предъявить преподавателю.
5.Собрать схему инвертирующего усилителя (рис. 7). На инвертирующий вход подключить датчик сигнала ДС, расположенный на универсальном стенде, установив переключатель диапазонов в положение "Постоянное".
6. Включить питание стенда. Изменяя с помощью датчика сигнала входное напряжение, измерить и занести в таблицу значения входных и выходных напряжений (10...15 измерений в диапазоне линейного изменения Uвых). Отключить питание стенда. По результатам измерений построить график Uвых = f(Uвх) в одних осях с расчетными характеристиками. Сравнить полученные результаты.
7. Собрать схему неинвертирующего усилителя (рис. 8). Датчик сигнала подключить к неинвертирующему входу. Повторить измерения по п. 6. Отключить питание стенда.
Рис. 7. Рис. 8.
Содержание отчета
Работа № 2. ИЗМЕРЕНИЕ ЛАХ И ФЧХ ИНВЕРТИРУЮЩЕГО И
НЕИНВЕРТИРУЮЩЕГО ОУ
Цель работы: научить вычислять и измерять логарифмическую амплитудно-частотную (ЛАХ) и фазо-частотную (ФЧХ) характеристики инвертирующего и неинвертирующего усилителей с идеализированным ОУ.
Частотные свойства ОУ в линейном режиме представляются его амплитудно-частотной характеристикой k = f(). Принято измерять k в децибелах, т.е. 20lg(k), при этом частота откладывается по горизонтальной оси в логарифмическом масштабе.
В ОУ, начиная с некоторой частоты, наблюдается снижение коэффициента усиления. Это происходит из-за того, что усилительный каскад является емкостной нагрузкой для источника сигнала, имеющего конечный импеданс. Уменьшение реактивного сопротивления такого конденсатора при увеличении частоты вызывает появление спада характеристики с наклоном 20 дБ/дек (рис. 9).Кроме этого выходной сигнал сдвигается по фазе относительно входного (рис 10).
Рис. 9
Порядок выполнения работы
1. Выбрать резисторы R1 и R2 в диапазоне (1...100) кОм таким образом, чтобы отношение R2/R1 < 5.
2. Собрать схему инвертирующего усилителя (рис. 11). Подключить к инвертирующему входу ОУ генератор синусоидального напряжения (ЗГ).
3. Подключить один канал осциллографа ко входу ОУ, а другой - к выходу. Установить на выходе генератора (ЗГ) частоту 20 Гц.
4. Включить питание стенда. Регулируя уровень выходного сигнала генератора, установить по осциллографу максимальную амплитуду выходного сигнала ОУ без искажений. Измерить с помощью осциллографа амплитуды входного и выходного напряжений (Авх, Авых) и временной сдвиг (t) между входным и выходным напряжениями. Результаты занести в таблицу 1. Поддерживая неизменной амплитуду входного сигнала, изменять частоту входного сигнала (fс) от 20 Гц до 200 кГц, измеряя при этом с помощью осциллографа Авых и t (4–5 измерений за декаду). Отметить частоты, на которых происходит снижение амплитуды выходного сигнала. Результаты занести в таблицу 1. Отключить питание стенда.
Рис. 11 Рис. 12
5. По результатам измерений рассчитать = 2f, k = Aвых/Aвх, 20lg(k), . Для инвертирующего усилителя:
,
где Т – период входного сигнала.
Результаты расчетов занести в таблицу 1. Построить графики 20lg(k) = f() и =
= f() ( откладывать в логарифмическом масштабе по декадам).
Таблица 1.
|
Измерения |
Расчет |
||||||
|
fс, |
Авх, |
Авых, |
t, |
, рад/c |
k |
20lg(k) |
, |
6. Собрать схему неинвертирующего усилителя (рис. 12). Генератор синусоидального напряжения подключить к неинвертирующему входу. Повторить измерения по п. 5. Отключить питание стенда. Провести расчеты по п. 5. Для неинвертирующего усилителя
.
Содержание отчета
Работа № 5. ИССЛЕДОВАНИЕ МУЛЬТИВИБРАТОРА НА ОУ
Цель работы: дать навыки по расчету и использованию мультивибраторов на основе ОУ.
Рис. 19.
Операционные усилители используются для создания автогенерирующих мультивибраторов с повышенной стабильностью генерируемого сигнала. Принципиальным для автогенераторов является наличие положительной обратной связи (ПОС), т.е. подачи части выходного сигнала на неинвертирующий вход ОУ. Схема мультивибратора на ОУ показана на рис. 19, а временные диаграммы, поясняющие ее работу - на рис. 20. Положительная обратная связь осуществляется цепочкой R3, R4. Амплитуда выходного напряжения практически равна напряжению питания (Еп). Напряжение на неинвертирующем входе ОУ совпадает по форме с выходным напряжением и определяется как
ен = kUвых ,
где .
Рис. 20.
Поскольку согласно правилу I eн
еи, усилитель меняет состояние выхода, когда напряжение на конденсаторе С достигает значения kUвых. В остальное время конденсатор С перезаряжается в обеих полярностях током, протекающим через R4. Следовательно, постоянная времени схемы равна R2C. Так как конденсатор может заряжаться до напряжения или , полярность выходного напряжения меняется при напряжении или , то интервалы времени заряда конденсатора определяются следующим образом:
Если выходной сигнал симметричен относительно нуля, то
,
поэтому период не зависит от свойств ОУ:
.
Порядок выполнения работы
1. Выбрать R2, R3, R4 в диапазоне (1...100) кОм таким образом, чтобы R3 R4.
2. Выбрать конденсатор С и рассчитать t1 по формуле
.
3. Рассчитать ошибку, вносимую погрешностями внешних цепей (R2, R3, R4, C):
,
считая допустимые отклонения для сопротивлений оезисторов и емкости конденсатора равными 5%.
4. Собрать схему (рис. 19). Включить питание стенда и наблюдать Uвых. Измерить значение t1 с помощью осциллографа. Сравнить измеренное значение с расчетным, вычислить t1 = t1расч – t1изм и сравнить с расчетным значением t1.
Рис. 21.
5. Зарисовать осциллограммы напряжений на инвертирующем входе и выходе ОУ в одном масштабе времени. Отключить питание стенда.
6. Отключить заземленный вывод резистора R4 от общей шины и подключить его к датчику сигнала (ДС) (рис. 21). Включить питание стенда. Вращая ручку датчика сигнала, наблюдать изменение интервала t1.
7. Снять зависимость коэффициента заполнения (kз = t1/T; Т - период выходного напряжения) от уровня входного сигнала kз = f(Uc) и зависимость частоты выходного напряжения от Uc: f = (Uc). Временные интервалы t1 и T измерять с помощью осциллографа, а Uc вольтметром В7-27. Результаты занести в таблицу
|
№ п/п |
Uc, В |
t1 с |
T, с |
kз |
f, Гц |
8. По результатам п. 7 построить графики kз = f(Uc) и f = (Uc).
Содержание отчета
Работа № 7. ФИЛЬТР НИЖНИХ ЧАСТОТ (ФНЧ) ПЕРВОГО ПОРЯДКА
Цель работы: научить студентов рассчитывать ФНЧ первого порядка с идеализированным ОУ.
В качестве активных ФНЧ первого порядка широко используются различные схемы интеграторов на основе ОУ (рис. 26).
Рис. 26
Передаточная (схемная) функция ФНЧ первого порядка соответствует передаточной функции инерционного звена:
.
При R4 = и 0 = 0 коэффициент передачи
.
При R4 = граничная частота полосы пропускания 0 = 1/R3C.
Порядок выполнения работы
1. Выбрать резисторы (более 1 кОм) таким образом, чтобы R4/R3 = R2/R1 =
= 5...10, при этом R4 > R2.
2. Построить зависимости |H(j)| = (/0), H() = |H(j)| |H(j)|/|H(j)| для
R4 = и R4 . При этом модуль передаточной функции
;
при R4 =
3. Собрать схему (рис. 26). Подключить к Uвх генератор синусоидального напряжения (ЗГ), установив частоту 100 Гц. Включить питание стенда и, регулируя уровень входного сигнала, получить на экране осциллографа изображение выходного напряжения (Uвых) без искажений (рис. 27).
Рис. 27
4. Поддерживая неизменным напряжение на входе (Uвх max = const), снять зависимость 2Uвых max =
= (fc). Частоту изменять в пределах от 100 Гц до 100/2R3C Гц. Результаты занести в таблицу. Отключить питание стенда. По результатам проведенного эксперимента построить график 2Uвых max = = (fc).
Содержание отчета
Работа № 7. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА ИМПУЛЬСОВ
ПРЯМОУГОЛЬНОЙ И ТРЕУГОЛЬНОЙ ФОРМ
Цель работы: научить студентов рассчитывать генератор прямоугольных импульсов и пилообразного напряжения на идеализированном ОУ.
Из временных диаграмм на рис. 20 видно, что в схеме мультивибратора формируется напряжение не только прямоугольной формы, но и близкое по форме к пилообразному. Времязадающая RC-цепочка интегрирует прямоугольные импульсы. Замена этой цепочки интегратором на основе ОУ дает возможность получить генератор, на одном выходе которого формируются прямоугольные, а на другом треугольные импульсы напряжения.
Схема генератора для формирования двух видов импульсов показана на рис. 28. Она состоит из неинвертирующего триггера Шмитта, выполненного на ОУ DA1, и интегратора на основе ОУ DA2, который интегрирует постоянное напряжение с выхода триггера Шмита.
Рис. 28
Когда выходное напряжение интегратора достигает порога срабатывания триггера Шмита, напряжение на выходе DA1 (Uвых1) скачком меняет знак. Напряжение на выходе интегратора начинает изменяться в противоположную сторону, пока не достигнет другого порога срабатывания триггера Шмитта.
Частота формируемого напряжения задается RC-цепочкой и может изменяться в широких пределах. Амплитуда треугольного напряжения Uвых2 зависит только от уровня срабатывания триггера Шмитта (Uпор)
Uпор = UвыхОУ maxR1/R2,
где UвыхОУ max = Еп – (1…2) В, можно определить из характеристики, полученной в работе № 1; Еп – напряжение питания ОУ (рис. 2).
Период импульсов генератора равен удвоенному времени, необходимому для того, чтобы выходное напряжение интегратора изменилось от –Uпор до +Uпор, т. е.
.
Таким образом, частота сформированного напряжения не зависит от величины напряжения UвыхОУ max.
Порядок выполнения работы.
1. Выбрать резисторы R1, R2, R3 (в диапазоне 1…10 кОм) и конденсатор С1. При этом должны выполняться условия: R1 < R2 и R3 R2.
2. Рассчитать пороговое напряжение триггера Шмитта. UвыхОУ max определить из характеристики, полученной в работе № 1
3. Рассчитать период импульсов T.
4. Собрать схему генератора (рис. 28).
5. Включить питание стенда и зарисовать осциллограммы напряжений на входах и выходах DA1 и DA2.
6. Отключить питание стенда.
Содержание отчета
1. Схема исследуемого генератора.
2. Результаты расчетов.
3. Осциллограммы напряжений на входах и выходах DA1 и DA2 – uвх1(t), uвых1(t), uвых2(t).
ен
Uвых
еи
Uвых
+Еп
Аес
ес, мкВ
-Еп
(1...2) В
(1...2) В
Линейная зона
"–" источника питания
Uсм
I +вх
Uсинф
2Rсинф
E–п Еп
н-вход
Выход
Rвх
AUвх
Uвых
вых
Rн
и-вход
Uсм
2Rсинф
E+п Еп
I –вх
"+" источника питания
t
t
u
Uвх
Uвых
Рис. 10
20 lg k
2
1