13246

Дослідження операційного підсилювача із зворотними звязками

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Дослідження амплітудних і частотних властивостей операційного підсилювача. Вивчення впливу негативного зворотного звязку на характеристики операційного підсилювача Вимірювання напруги зміщення ОП.

Украинкский

2015-02-03

1.41 MB

20 чел.

Лабораторна робота №8

Тема: Дослідження операційного підсилювача із зворотними зв'язками

Мета: 1.  Дослідження амплітудних і частотних властивостей операційного підсилювача. 

2.  Вивчення впливу негативного зворотного зв'язку на характеристики операційного підсилювача Вимірювання напруги зміщення ОП.

Прилади й елементи

Вольтметр

Амперметр

Осцилограф

Функціональний генератор

Операційний підсилювач LM124

Резистори

Теоретичні відомості

1. Операційні підсилювачі

Підсилювачі постійного струму (ППС) є основою для конструювання операційних підсилювачів (ОП). Сучасні операційні підсилювачі є багатоцільовими елементами, виконаними у вигляді напівпровідникових інтегральних мікросхем. Вони широко застосовуються при конструюванні різних підсилювальних пристроїв, пристроїв збудження сигналів синусоїдної та імпульсної форм (генераторів сигналів), фільтрів і так далі.

Рис.8.1

Умовне позначення ОП показане на рис.8.1. Символ   означає посилення, а символ - великий вхідний опір. Один з входів підсилювача Uвх+ є неінвертуючим, інший Uвх-  - інвертуючим (аналогічно до диференціальних підсилювачів). Принципові електричні схеми ОП, як правило, містять декілька каскадів ППС. При цьому вхідний каскад завжди виконується за диференціальною схемою, а вихідний каскад за схемою емітерного повторювача.

Сучасні інтегральні ОП володіють високим значенням коефіцієнта підсилення (К=104107), вхідного опору (Rвх=104109 Ом), можуть працювати від двополярних джерел живлення і перетворювати електричні сигнали в широкому діапазоні частот (від 0 до 107 Гц).

Амплітудна і амплітудно-частотна характеристики такого підсилювача аналогічні до відповідних характеристик ППС.

2. Зворотні зв'язки в операційних підсилювачах

Конструювання різних електронних пристроїв на основі ОП виробляється з використанням зворотних зв'язків. Зворотним зв'язком називається передача частини енергії вихідного сигналу підсилювача на його вхід (рис.8.2).

Рис.8.2.

З вихідного ланцюга у вхідний енергія передається через електричний ланцюг зворотного зв'язку з коефіцієнтом передачі     .

К0 - коефіцієнт посилення підсилювача без зворотного зв'язку (у області середніх частот, де дією реактивних елементів ОП і зворотного зв'язку можна нехтувати).

Зворотний зв'язок називається позитивним, якщо передаваний нею з виходу на вхід сигнал            Uос = Uвих співпадає за фазою (складається) з вхідним сигналом Uвх = U1+Uвих (на рис.8.2 позитивний зворотний зв'язок позначений +).  Коефіцієнт підсилення підсилювача К+ з позитивним зворотним зв'язком визначається виразом       .

Зворотний зв'язок називається негативним якщо сигнал зворотного зв'язку Uос знаходиться в протифазі (віднімається) з вхідним сигналом Uвх = U1-Uвих (на рис.8.2 негативний зворотний зв'язок позначений -).

Коефіцієнт підсилення підсилювача К+  при негативному зворотному зв'язку буде .

Застосування негативного зворотного зв'язку (НЗЗ) в підсилювачах істотно покращує їх параметри:

- підвищує стабільність коефіцієнта підсилення;

- збільшує вхідний опір;

- зменшує вихідний опір;

- розширює смугу пропускання.

Тому НЗЗ широко застосовується в підсилювальних пристроях.

Позитивний зворотний зв'язок (ПЗЗ) впливає на параметри підсилювачів протилежним чином.

Підвищуючи нестабільність коефіцієнта підсилення, він приводить підсилювач до самозбудження, тобто переходу його в режим генератора.

Тому ПЗЗ використовується в генераторах гармонійних коливань та імпульсів.

3. Операційний підсилювач з НЗЗ

Операційний підсилювач з негативним зворотним зв'язком найчастіше застосовується на практиці (рис.8.3).

Рис.8.3

 

Негативний характер зворотного зв'язку обумовлений подачею напруги   на інвертуючий вхід ОП так, що  . Негативний зворотний зв'язок здійснюється через опори   і  . Оскільки вхідний опір ОП великий (приймаємо  ), то вхідний струм ОП  , і тоді:   , звідки

.

При великому коефіцієнті підсилення ОП () напруга на вході буде      ,   і тому: ,  звідки:     .

3.1. Масштабуючий підсилювач

При   і   вираз для коефіцієнта посилення прийме вигляд  ,

а підсилювач виконує роль масштабуючого інвертуючого підсилювача у якого Uвих= -UвхК- 

Схема підсилювача в цьому випадку представлена на рис. 8.4.

Рис.8.4.

3.2. Селективний підсилювач

Розглянуті вище схеми підсилювачів призначені для посилення вхідних сигналів в широкій смузі частот. На практиці (у системах зв'язку, радіотелепередачі, в багатьох системах автоматичного управління і контролю) необхідно підсилювати корисний сигнал однієї частоти, так щоб сигнали інших частот пригнічувалися (не посилювалися). Таку задачу вирішує селективний підсилювач, що є ОП охоплений частотно-залежним НЗЗ у вигляді подвійного Т-подібного моста (рис.8.5).

Рис.8.5.

Амплітудно-частотна характеристика подвійного Т-подібного моста =F(f) приведена на рис.8.6.

Рис.8.6.

На низьких частотах, коли частота прямує до нуля (f0), коефіцієнт передачі моста 1, оскільки опір Хс конденсаторів стає великим і вся напруга   через “верхній” одинарний Т-подібний міст (R, 2C, R) передається на вхід підсилювача у вигляді напруги зворотного зв'язку  .

На дуже високих частотах (f, 1) внаслідок того, що опори конденсаторів Хс стають невеликими, і вся вихідна напруга через “нижній” Т-подібний міст (С, R/2, С) передається на вхід ОП.

Коефіцієнт підсилення такого підсилювача відомий

     .

Аналіз цього виразу показує, що на низьких і високих частотах при 1:     ,  тобто підсилення практично не відбувається.

На резонансній частоті   коефіцієнт передачі моста 0,  і тоді:      , маємо максимальне посилення.

Амплітудно-частотна характеристика K-= селективного підсилювача приведена на  рис.8.7.

Рис.8.7.

Вона побудована з урахуванням виразу для K- і амплітудно-частотної характеристики Т-подібного моста. Потрібна величина K0 забезпечується правильним вибором номіналів резисторів R2 і R1 виходячи з того,  що  .

4. Операційний підсилювач з ПЗЗ

Генератори гармонійних сигналів призначені для перетворення енергії джерела живлення в енергію електричного сигналу синусоїдної форми необхідної частоти і потужності.

На практиці, часто, такий генератор є ОП охоплений глибоким позитивним зворотним зв'язком з коефіцієнтом передачі + (див. рис.8.8). Для отримання стійкого режиму автогенерації, поліпшення форми коливань і стабілізації амплітуди коливань, що генеруються, часто вводиться негативний зворотний зв'язок (- ).

Рис.8.8.

Для цієї схеми вхідна і вихідна напруги зв'язані співвідношеннями:

   ,  .

Перемножуючи одне на інше, одержуємо формулу , яка справедлива при  . Виконання останньої умови забезпечує в автогенераторі незгасаючі коливання. Величини    і    у рівнянні є комплексними величинами, тому можна записати , останнє виконується при:          - умова балансу фаз автогенератора,

                      - умова балансу амплітуд.

Умова балансу фаз означає, що в схемі існує позитивний зворотний зв'язок. Умова балансу амплітуд відповідає тому, що енергія, що втрачається в генераторі за одне коливання заповнюється енергією від джерела живлення. Виконання умов балансу фаз і амплітуд забезпечує виникнення сигналів генератора складної форми, що складаються з великого числа гармонійних складових.

Для виникнення сигналу генератора потрібної частоти забезпечують виконання умов балансу фаз і амплітуд, тільки для частоти  , шляхом включення частотно-залежних схем, наприклад, моста Віна.

Приклад виконання автогенератора гармонійних коливань з мостом Вина приведений на рис.8.9.

Негативний незалежний зворотний зв'язок створюється резисторами R2 і R1.

Рис.8.9.

Оскільки в ланцюзі позитивного зворотного зв'язку ввімкнено міст Віна, то умови самозбудження генератора виконуються тільки для однієї резонансної частоти   (на інших частотах К0 малий). Отже, виникаючі коливання матимуть гармонійну форму.

Хід роботи

1. Операційний підсилювач з від’ємним  зворотним зв'язком     (КЗЗ=25 і КЗЗ=50).

Схема проведення досліду зображена на рис.8.10.

Рис.8.10.

а)  Зніміть амплітудну характеристику підсилювача Um.вх = f(Um.вих), при f=1кГц і Uвх = 101000мВ. (Див.  методику зняття амплітудних характеристик).

б) Скопіюйте осцилограми вхідних і вихідних напруг на лінійній і нелінійній ділянках амплітудної характеристики підсилювача.

в) Зніміть амплітудно-частотну характеристику підсилювача КП = F(f) при uвх=100мВ і f=020кГц. (Див. методику зняття амплітудно-частотних характеристик).

г) Побудуйте амплітудну характеристику підсилювача.

д) Побудуйте амплітудно-частотну характеристику підсилювача.

  1.  Селективний підсилювач з негативним зворотним зв'язком, Кос=50 і подвійним Т-подібним мостом .

а) Зніміть амплітудно-частотну характеристику моста К0 = F(f) при uвх=1мВ і f=02кГц.

(Див. методику зняття амплітудно-частотних характеристик). Схема проведення досліду зображена на рис.8.11.

Рис.8.11.

 

б) Зніміть амплітудно-частотну характеристику підсилювача КП = f(f) при uвх=1мВ і f=02кГц.

(Див. методику зняття амплітудно-частотних характеристик). Схема проведення досліду зображена на рис.8.12.

Рис.8.12.

 

в) Побудуйте амплітудно-частотну характеристику моста.

г) Побудуйте амплітудно-частотну характеристику підсилювача.

3.  Автогенератор RC-типу, з негативним зворотним зв'язком КЗЗ=1,5, мостом Віна в ланцюзі позитивного зворотного зв'язку і автостабілізацією на стабілітронах.

Схема проведення досліду зображена на рис.8.13.  Скопіюйте осцилограму вихідної напруги.

    Рис.8.13.

Методики проведення дослідів

Методика зняття амплітудно-частотних характеристик.

При знятті амплітудно-частотних характеристик підсилювальних пристроїв необхідно змінювати частоту вхідного сигналу при незмінній його амплітуді. Для цього відкриваємо діалогове вікно функціонального генератора і задаємо вхідний сигнал синусоїдної форми.

Далі встановлюємо необхідну амплітуду сигналу на вході (наприклад, Amplitude 1 mV) і його частоту (наприклад, Frequency 5kHz). Натиснувши в правому верхньому кутку клавішу  , вимірюємо сигнали на вході і виході з допомогою відповідних вольтметрів.

Обчислюємо коефіцієнт посилення    і записуємо його в таблицю А. Повторюємо дані вимірювання для різних частот вхідного сигналу, заповнюючи таблицю.

                 

Таблиця А

f (Гц)

20     

  200

2103

10103

100103

1106

10106

20106

50106

КП

Методика зняття амплітудних характеристик.

При знятті амплітудних характеристик підсилювальних пристроїв необхідно змінювати амплітуду вхідного сигналу при незмінній частоті. Для цього відкриваємо діалогове вікно функціонального генератора і задаємо вхідний сигнал синусоїдної форми.

Далі встановлюємо необхідну частоту сигналу на вході (наприклад, Frequency 5kHz) і амплітуду сигналу (наприклад, Amplitude 1.5 mV). Натиснувши в правому верхньому кутку клавішу  , вимірюємо сигнали на вході і виході з допомогою відповідних вольтметрів і записуємо покази в таблицю.

Повторюємо дані вимірювання для різних амплітуд вхідного сигналу, заповнюючи таблицю В.

                 

Таблиця В

Um (мВ)

  1,5     

  7,1

   14,1

   28,3

   42,5  

   56,6   

Uвх (мВ)  

  

Uвих (мB)

 

Методика роботи з осцилографом.

Для отримання форми кривих напруги в будь-якій точці схеми в програмі EWB використовується осцилограф. Відкриваємо діалогове вікно осцилографа подвійним натисненням лівої кнопки миші. При цьому з'являється зменшене зображення панелі осцилографа. Осцилограф має чотири клеми: Ground (Земля), Trigger (Синхронізація), Channel А (Канал А), Channel B (Канал B).

Розгортка за часом (Time base) задається відповідними клавішами.

У даному конкретному випадку маємо: 5,00ms/div, тобто 5,00 мілісекунд на 1 поділку.

Вертикальна розгортка задається окремо по кожному каналу.

У даному конкретному випадку маємо: 20V/div, тобто 20 вольт на 1 поділку.

На екрані осцилографа зображені дві криві – вхідна і вихідна напруги однопівперіодного випрямляча, що відображають роботу досліджуваної схеми.

Для того, щоб здійснювати вимірювання за допомогою осцилографа необхідно натиснути кнопку Expand і тоді з'явиться збільшене зображення панелі осцилографа, яке має додаткові елементи для вимірювання.

На екрані осцилографа, при цьому, з’являються дві вертикальні риски, які можна пересувати за допомогою лівої кнопки миші, тим самим, встановлюючи місце вимірювання. У додаткових вікнах з'являються координати відмічених позицій.

У даному конкретному випадку на маємо:      Третє вікно дає різницю показів:

T1=12.4765s, VA1=27.2384v, VB1=25.4764v              T2-T1=35.1250ms, VA2-VA1=-12.8163v,

T2=12.5116s, VA2=14.4222v, VB2=13.1085v              VB2-VB1=-12.3679v

      Канал А,  Y position = -1.00                                              Канал В, Y position =   1.00.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

54409. Modische Kleidung 217.5 KB
  Kinder! Das Thema der heutigen Stunde ist „Modische Kleidung“. Wisst ihr solhe Redensart „Kleider machen Leute“? Das ist ein deutsches Sprichwort. Meiner Meinung nach hat diese Redensart einen gleichen Sinn in allen Sprachen. Kinder, wie versteht ihr „Kleider machen Leute“? Beantwortet bitte lakonisch, schnell und deutlich.
54410. Материки Південної півкулі Австралія, Південна Америка і Антарктида 73.5 KB
  Мета: Дати учням установку на вивчення нової теми, познайомити з структурною моделлю модуля, з самостійною роботою по вивченню нового матеріалу,сприяти розвитку комунікативної компетентності. Дати учням загальну уяву про природу материків Південної півкулі: Австралія, Південна Америка, Антарктида.
54411. Підсумкова контрольна робота з математики тестового характеру 168 KB
  Мета оцінювання: Встановити відповідність рівня навчальних досягнень учнів 1 класу з математики за навчальний рік Програмовим вимогам.
54412. Основні закономірності спадковості та мінливості 274 KB
  Менделя виступаючи в ролі біографа. Але промова Менделя пролунала для сучасників як промова інопланетного прибульця. Лише в 1900 році знову відкрили закони Менделя. Менделя через 35 років після їі появи на світ та відкрив самого г.
54413. Лікарські рослини у житті людини. Збирання і заготівля лікарських рослин 79.5 KB
  Мета: розширити знання учнів про лікарські рослини їх значення в житті людини формувати в учнів вміння і навички збору лікарських рослин їх зберігання. Обладнання: таблиці; гербарні екземпляри різних лікарських рослин дидактичний матеріал книги: Травы дарующие здоровье лікарські трави. Основні терміни і поняття: лікарські рослини фармакологія хімікофармацевтична промисловість.
54414. ВИКОРИСТАННЯ МУЛЬТИМЕДІЙНИХ ЗАСОБІВ НАВЧАННЯ НА УРОКАХ ФІЗИКИ 946 KB
  Мета: навчити використанню операторів циклу при опрацюванні результатів лабораторної роботи Визначення модуля пружності гуми; розвити навики роботи у середовищі Turbo Pscl; виробляти вміння узагальнювати вивчений матеріал; виховувати в учнів уважність та відповідальність при виконанні завдань. Організаційний момент Викреслення мети основних завдань уроку ознайомлення з обладнанням необхідним для проведення лабораторної роботи та опрацювання результатів вимірювань. Виконання лабораторної роботи. Для виконання лабораторної...
54415. Модульное обучение на уроках химии 38.5 KB
  Она позволяет одновременно оптимизировать учебный процесс обеспечить его целостность в реализации целей обучения развития познавательной и личностной сферы учащихся. Данная технология основывается на самостоятельном добывании школьниками знаний в процессе работы с учебной научнопопулярной и справочной литературой в результате обучения. Важным достоинством данной технологии обучения является ее интеграционное качество ибо модуль как целостное единство содержания и технологии его изучения реализуется через комплекс технологий...
54416. Мохоподібні: будова, різноманітність, значення в природі та житті людини 1.32 MB
  Навчальна: ознайомити учнів з характерними рисами мохоподібних, особливостями розмноження, їхнім значенням у природі та господарстві людини. Розвиваюча: розвивати логічне та біологічне мислення, вміння працювати з дидактичним матеріалом, малюнками, схемами, таблицями, аналізувати спостереження та робити висновки. Виховна: сприяти формуванню основних уявлень про наукове пізнання світу, розвитку інтересу до вивчення природи; виховувати в учнів уміння слухати, культуру мови та спілкування.
54417. Молодь за здорове майбутнє. Виховний захід 41 KB
  Епіграф: Немає друга рівного здоровю; Немає ворога рівного хворобі Давньоіндійське прислівя Обладнання: компютер мультимедійний проектор екран плакати з написами Хід заходу Вихователь. Люди кажуть один одному при зустрічі: Доброго Вам здоровя. Вони бажають один одному здоровя.