1106

Преобразователи электрических сигналов на операционных усилителях

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Исследование следующих схем на ОУ: сумматор, схема сложения-вычитания, интегратор, дифференциатор, а также логарифмический усилитель с n–р–n-транзистором, включенным в цепь ООС ОУ.

Русский

2013-01-06

787 KB

65 чел.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Филиал федерального государственного

бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский университет

Московский энергетический институт»

в городе Смоленске

Кафедра ЭиМТ

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4.

Преобразователи электрических сигналов на операционных усилителях

Группа:

ПЭ-09

Студент:

Андрейкин С.А.

Леонтьев Д.В.

Преподаватель:

Амелин С. А.

Смоленск 2012

           Цель работы: исследовать следующие схемы  на ОУ: сумматор, схема сложения-вычитания, интегратор, дифференциатор, а также логарифмический усилитель с n–р–n-транзистором, включенным в цепь ООС ОУ.

          Описание лабораторной установки: Стенд лабораторной работы «Преобразователи сигналов на операционных усилителях» выполнен на печатной плате с выведенными наружу гнездами для осуществления необходимых коммутаций.

На этой печатной плате имеются три источника напряжения U1, U2 и U3,  которые используются в первых трех пунктах выполнения лабораторной работы. Напряжение U2 подключено к трём клеммам, что дает возможность подавать на схему сложения-вычитания четыре входных напряжения. Цифры, стоящие возле коммутируемых цепей на стенде, соответствуют номеру пункта рабочего задания лабораторной работы. При выполнении лабораторной работы используются  источник  питания ОУ ±12 В.

             Подготовка к работе:  1. Определить значения резисторов R1, R2 и R3, чтобы в схеме  сумматора на ОУ.

 Uвых = – (2U1+3U2+4U3).  Значение RОС  взять равным 30 К.

Решение:  для суммировании нескольких напряжений часто применяют схему инвертирующего сумматора. Она заключается в том, что входные напряжении через добавочные резисторы подаются на негативный  Nвход

операционного усилителя (схема рис.1).  

Рис.1 Схема инвертирующего сумматора.

Поскольку эта точка является «виртуальным» нулем(точка виртуальной массы), то на основании правила узлов получим следующие соотношения:

Тогда получим:

Ответ: R1=15кОм,  R2=10кОм, R3=7,5кОм.

2. В схеме рис. 2 R1= R2= R`2=R’1=RОС=R’ОС=R. Записать выражение для выходного напряжения.

Решение: для выполнения операций вычитания  требуется использовать схему вычитания большого числа сигналов  (схема рис. 2), которые суммируются для каждого из входов операционного  усилителя.

Рис. 2. Схема вычитания большого количества сигналов.

Схема представляет собой комбинацию электрометрического усилителя с делителем напряжения (при U1=U2=0) и стандартного инвертирующего усилителя  (при U3=U4=0). Основным техническим критерием данной схемы является соотношения сопротивлений, определяемыми собственными  коэффициентами  передачи  αn , на входах схемы. В общем случае напряжение на выходе:

;

В случае, когда  R1= R2= R`2=R1=RОС=RОС=R,  α=α1=α2=α`1=α`2=1:

.

Ответ:  .

3. В схеме интегратора на операционном усилителе R=10 кОм; С =0,1 мкФ. На вход интегратора подается импульсный сигнал в виде двуполярного симметричного меандра с длительностью импульса tИ =1 мс (частотой 500 Гц) и амплитудой  5В. Какой вид будет иметь зависимость напряжения на выходе интегратора от времени? Изменится (и, если изменится, то как?) вид этой зависимости при увеличении длительности входного импульса в 10 раз (снижении частоты меандра в 10 раз).

Решение: интегратор построен на основе инвертирующего усилителя, в котором резистор обратной связи заменен конденсатором С (схема рис.3).

Рис. 3. Идеальный инвертирующий интегратор.

В этом случае выходное напряжение описывается выражением:

,

причем Qо - величина заряда, которая была на конденсаторе к моменту начала интегрирования (t=0). Учитывая, что ,  можно записать

,

При подаче на вход двуполярного симметричного меандра  с  tИ =1 мс (частотой 500 Гц) и амплитудой  5В на выходе получим пилообразный сигнал:

Рис. 4

При увеличении длительности входного импульса  в 10  раз:

Рис. 5

При уменьшении длительности импульса в 10 раз:

Рис. 6

Ход работы.

1. а) Собрать схему инвертирующего сумматора, показанную на рис.1. Использовать цепь с резистором в цепи обратной связи 30 кОм (цепь «1»). Убедиться, что выходное напряжение ОУ связано со входным напряжением следующей зависимостью: Uвых = –(2U1 + 3U2 + 4U3). Вычислить необходимые при этом резисторы R1, R2, R3.  

U1=3,10В, U2=1,86В, U1=-1,23В, Uвыхпр=-6,51В;

б) Цифровым вольтметром измерить точные значения резисторов R1, R2, R3 и резистора в цепи обратной связи RОС. Измерить напряжения U1, U2, U3 при подключенных резисторах R1, R2, R3 и выходное напряжение UВЫХ. Сравнить измеренное выходное напряжение с рассчитанным. Определить погрешность суммирования.

Uвыхпр=-6,32В => ΔU=|Uвых − Uвыхпр |=|−6,32+6,51|=0,19В

2. а) Включить на входе сумматора на ОУ резисторы R1, R2, R3 равные по 10 кОм (использовать цепь «2» стенда). Вычислить сопротивление резистора RОС, необходимое для того, чтобы данная схема усредняла входные напряжения. Вычислить и измерить выходное напряжение при подаче на резисторы R1, R2, R3 входного напряжения U2.

Rос=3,3кОм, т.к.:

U2=1.83В, Uвыхпр=-1,86В.

б) Вычислить и измерить выходное напряжение при подаче на резисторы R1, R2, R3 напряжений U1, U2, U3. Оценить погрешность усреднения.

U1=3,10В,  U2=1,86,  U3=−1,23, Uвыхпр.=−1,25В

ΔU=|Uвых − Uвыхпр |=|−1,25+1,243|=0,007В.

3. а) Собрать схему сложения-вычитания, показанную на рис. 7 (использовать цепи «3» стенда). Сопротивления резисторов Rос и R'ос выбираются равными 100 кОм. Рассчитать сопротивления резисторов R1, R2, R’1, R’2, обеспечивающие следующий закон вычисления выходного напряжения:

UВЫХ = –(2U1 + 3U2) + (3U3 + 2U4).

Рис. 7 Схема сложения-вычитания на ОУ.

U1=3,10В,  U2=1,86В,  U3=−1,23В

Рис. 8 Модель в MicroCap9.

 Uвыхпр.=−12,1В;   Uвых =−11,859В,

б). Установить значения напряжений U1=U2=U3=U4 (схема рис. 9). Рассчитать и измерить выходное напряжение.

Рис. 9.

U2=1,86В,  Uвых =0,045В=45,7мВ.

В этом случае на напряжении на выходе, помимо погрешности Δα/α и Uo, влияет коэффициент ослабления синфазного сигнала, поэтому на выходе будет напряжение.

Полученная таки образом схема вычитания, называемая электрометрической,

В основном используется в измерительной технике.

в) Объяснить причины расхождения между измеренными и вычисленными результатами.

Расчетная формула подразумевает точную настройку коэффициентов передачи α, он на практике абсолютную точность обеспечить, как правило, невозможно, поэтому измерения проводятся с определенной погрешностью установки коэффициентов передачи Δα/α, которые влияют на коэффициент ослабления синфазного сигнала G≈(1+α)(α/Δα) и при Δα/α=0, G→∞, что невозможно.

Не значительное влияния на расхождения между измеренными и вычисленными результатами оказывают влияние также токи смещения и напряжение смещения нуля, присущие параметрам реального ОУ. К тому же входы представленной схемы вычитания являются нагрузкой для источников входных напряжений и для получения минимальной погрешности необходимо, чтобы входные сопротивления сигнала были достаточно малы. Если источники напряжения, в свою очередь, также  являются схемами с отрицательными обратными связями на ОУ, то это требование, как правило, выполняется. При других схемах источников входных напряжений может оказаться необходимо использовать преобразователи сопротивления в виде электрометрических усилителей, включаемыми перед соответствующими входами.

4. а) Собрать схему интегратора, показанную на рис.10 (использовать цепь «4» стенда). Проверить балансировку ОУ. Рассчитать и проверить экспериментально выходной сигнал при следующих входных сигналах:

Рис. 10. Схема интегратора на ОУ.

Синусоидальный сигнал с частотой f =1 кГц и двойной амплитудой 5 В;

Рис. 11 Анализ входного и выходного сигналов в среде MicroCap9.

В

Двуполярные  симметричные прямоугольные импульсы со скважностью Q =2.

Рис. 12. Анализ входного и выходного сигналов в среде MicroCap9

б) Подать на вход интегратора синусоидальный сигнал. Проверить работу интегратора как активного фильтра низких частот. Измерить коэффициент усиления фильтра в области низких частот и граничную частоту (частоту, на которой коэффициент усиления уменьшается на 3 дБ).

В ходе лабораторной  работы обнаружено, что на частотах около 2кГц происходит резкое уменьшения амплитуды, обусловленными частотной характеристикой интегратора, как фильтра нижних частот.

5. а) Собрать схему дифференциатора, показанную на рис. 13 (использовать цепь 5 лабораторного стенда). Подать на вход дифференциатора при замкнутом ключе К1 и разомкнутом ключе  К2 синусоидальный сигнал двойной амплитуды 4В. Определить величину выходного напряжения и сравнить ее с расчетным значением.

Рис. 13.

 мВ

Рис. 14 Результаты моделирования в среде MicroCap9.

мВ.

б) Собрать схему полосового фильтра на основе скорректированного дифференциатора, для чего ключ К1 разомкнуть, а ключ К2 замкнуть. Снять и построить на графике амплитудно-частотную характеристику полосового фильтра. Определить значения верхней и нижней граничных частот.

Рис. 15. Частотная характеристика коэффициент

та усиления цепи обратной связи.

в) Соединить последовательно две схемы — интегратор и дифференциатор. Убедиться экспериментально, что дифференцирование и интегрирование являются взаимно обратными операциями. Подать на вход интегратора прямоугольные импульсы в виде меандра. Зарисовать совмещенные во времени осциллограммы входного напряжения и напряжения на выходе интегратора и дифференциатора (Данный пункт лабораторной работы выполняется с помощью имитационного моделирования в среде программ автоматизированного схемотехнического анализа: MICROCAP, WORKBENCH, Design Lab и пр.).

Рис. 16.Схема в среде MicroCap9

Рис. 17 Результаты моделирования.

Как видно из графиков выходной  сигнал  практически  идентичен  входному, это объясняется тем, что дифференцирование и интегрирование являются взаимно обратными операциями.

6. а) Собрать схему логарифмического усилителя . Рассчитать и измерить выходное напряжение при двух значениях входного напряжения.

Iеs=3pА , UТ=-26мВ.

При U=4В:

При U=10В:

б) Подать на вход логарифмического преобразователя периодический пилообразный сигнал (периодическое линейно нарастающее  напряжение) низкой частоты. Снять осциллограммы на выходе преобразователя. Объяснить вид полученных осциллограмм. (Данный пункт лабораторной работы выполняется с помощью имитационного моделирования в среде программ автоматизированного схемотехнического анализа: MICROCAP, WORKBENCH, Design Lab и пр.).

Литература

  1.  Методические указание к лабораторным работам по схемотехнике.
  2.  П. Хоровиц, У. Хилл, Искусство схемотехники,М.1985


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

60648. Маски и каналы 2.44 MB
  В этом уроке вы узнаете как: Уточнять выделение с помощью быстрой маски. Сохранять выделение как маску канала Просматривать маску с помощью палитры Chnnels Каналы. Рисовать в маске чтобы модифицировать выделение.