41990

ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Интегратор на ОУ Недостатком этой схемы является дрейф выходного напряжения обусловленный напряжением смещения и входными токами ОУ. Выходное напряжение этой схемы при подаче на нее скачка входного напряжения амплитудной Uвх изменяется в соответствии с выражением: Uвых = Uвх[1 exp ]. На начальном интервале переходного процесса при t R2С изменение выходного напряжения Uвых будет достаточно близко к линейному и скорость его изменения может быть вычислена из выражения: . Суммирование постоянного и переменного напряжения.

Русский

2013-10-26

170 KB

18 чел.

Лабораторная работа №10

ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

Цель работы: исследование схем сумматора, интегратора и дифференциатора на операционных усилителях (ОУ).

Краткие теоретические сведения.

Сумматор. В идеальном суммирующем усилителе, показанном на рис.10.1, выполняются следующие соотношения:

I1 = ,   I2 = ,  Iос = I1 + I2 ,  Iос = -Uвых / Rос.

Из полученных соотношений

Uвых = - ( I1 + I2Rос = - ()· Rос = -  (U1+U2).

Последнее выражение справедливо при R = R1 = R2.

Рис.10.1

Интегратор.   На рис. 10.2 показана схема, выполняющую  функцию интегрирования. Для этой схемы

     и тогда       Uвых = - ·d t + const.

Рис.10.2. Интегратор на ОУ

Недостатком этой схемы является дрейф выходного напряжения, обусловленный напряжением смещения и входными токами ОУ.

Это нежелательное явление можно ослабить, если к конденсатору С подключить резистор R2 с большим сопротивлением (рис.10.3), обеспечивающий стабилизацию рабочей точки за счет обратной связи по постоянному току.

Рис.10.3. Интегратор с дополнительным резистором R2

Резистор обратной связи R2 предотвращает также насыщение ОУ после заряда конденсатора, когда ток через конденсатор станет равным нулю. Выходное напряжение этой схемы при подаче на нее скачка входного напряжения амплитудной Uвх изменяется в соответствии с выражением:

Uвых = - Uвх[1 exp (-)].

На начальном интервале переходного процесса при  t << R2С, изменение выходного напряжения Uвых будет достаточно близко к линейному и скорость его изменения может быть вычислена из выражения:

.

Дифференциатор. Схема дифференциатора приведена на рис. 10.4. Выходное напряжение схемы пропорционально скорости изменения входного сигнала:                                 Uвых = -R2·C.

Рис.10.4.Дифференциатор на ОУ

Порядок проведения экспериментов.

Все полученные результаты занесите в соответствующий  раздел «Результаты экспериментов».

Эксперимент 1. Суммирование постоянных напряжений.

а) Соберите схему, изображенную на рис. 10.1. Включите схему.

б) По заданным номиналам элементов схемы рассчитайте значение токов  I1, I2,  Iос и, используя значения напряжений U1 и U2, вычислите выходное напряжение Uвых.

Эксперимент 2. Суммирование постоянного и переменного напряжения.

а) Соберите схему, изображенную на рис.10.5. Включите схему. Зарисуйте осциллограммы входного и выходного напряжения. Измерьте постоянную составляющую и амплитуду выходного напряжения Uвых, используя значения напряжений U1 и U2.

б) Установите значение сопротивления R2 равным 2.5кОм. Включите схему. Зарисуйте осциллограммы входного и выходного напряжения. Измерьте постоянную  составляющую и амплитуду выходного напряжения Uвых, используя значения напряжений U1 и U2.

Рис.10.5

Эксперимент 3.Сумирование переменных напряжений.

а) Соберите схему, изображенную на рис.10.6. Включите схему. Зарисуйте осциллограммы входного и выходного напряжения.  Измерьте амплитуды входных и выходного напряжений. Вычислите амплитуду выходного напряжения Uвых по известным значениям U1 и U2.

Рис.10.6

Эксперимент 4. Переходной процесс в схеме интегратора.

Соберите схему, изображенную на рис.10.3. Включите схему. Зарисуйте осциллограммы входного и выходного напряжений схемы при подаче на вход напряжения в виде последовательности прямоугольных импульсов. Измерьте амплитуду входного напряжения и определите по осциллограмме скорость изменения выходного напряжения. Для установившегося процесса измерьте амплитуду выходного напряжения.  

Эксперимент 5. Влияние амплитуды входного напряжения на переходной процесс в схеме интегратора.

В схеме, изображенной на рис. 10.3, установите амплитуду генератора равной 2 В и установите масштаб напряжения на входах А и В осциллографа 2 V/div. Включите схему. Зарисуйте осциллограммы входного и выходного напряжений. Измерьте амплитуду входного напряжения и определите по осциллограмме скорость изменения входного напряжения. Сравните осциллограммы выходного напряжения, полученного в этом и предыдущем экспериментах. Для установившегося процесса измерьте амплитуду выходного напряжения.

Эксперимент 6. Влияние параметров схемы на переходный процесс в схеме интегратора.

а) В схеме рис. 10.3 установите сопротивление R1 равным 5 кОм, амплитуду генератора 5 В. Включите схему. Зарисуйте осциллограммы входного и выходного напряжений. Запишите амплитуду входного напряжения и определите по осциллограмме скорость изменения выходного напряжения в начале процесса. Сравните осциллограмму выходного напряжения, полученную в данном эксперименте с осциллограммой, полученной в эксперименте 4.

б) В схеме рис. 10.3 установите емкость конденсатора равной 0.02мкФ. Включите схему. Зарисуйте осциллограммы входного и выходного напряжения в разделе «Результаты экспериментов». Запишите амплитуду входного напряжения и определите по осциллограмме скорость изменения выходного напряжения в начале процесса. Сравните осциллограмму выходного напряжения, полученную в данном эксперименте, с осциллограммой, полученной в эксперименте 4.

Эксперимент 7. Переходной процесс в схеме дифференциатора на ОУ.

а) Соберите схему, изображенную на рис.10.4. Включите схему. Зарисуйте осциллограммы входного и выходного напряжения. По полученным осциллограммам определите скорость изменения входного напряжения и амплитуду выходного напряжения,  

б) По заданным параметрам схемы и найденному значению скорости изменения входного напряжения рассчитайте амплитуду выходного напряжения.  

Эксперимент 8. Влияние частоты входного напряжения на выходное напряжение дифференциатора.

а) В схеме рис. 10.4 установите частоту генератора равной 2 кГц. Включите схему. Зарисуйте осциллограммы входного и выходного напряжений. По полученным осциллограммам определите скорость изменения входного напряжения и амплитуду выходного напряжения.   Сравните осциллограмму выходного напряжения, полученную в данном эксперименте, с осциллограммой, полученной в эксперименте 7.

б) По заданным параметрам схемы и найденному значению скорости изменения входного напряжения рассчитайте амплитуду выходного напряжения.  

Эксперимент 9. Влияние сопротивления в цепи обратной связи на выходное напряжение дифференциатора.

а) В схеме рис.10.4 восстановите начальную частоту генератора, а величину сопротивления в цепи обратной связи установите равной 10 кОм. Зарисуйте осциллограммы входного и выходного напряжения. По полученным осциллограммам определите скорость изменения входного напряжения и амплитуду выходного напряжения.   Сравните осциллограмму выходного напряжения, полученную в данном эксперименте, с осциллограммой, полученной в эксперименте 7.

б) По заданным параметрам схемы и найденному значению скорости изменения входного напряжения рассчитайте амплитуду выходного напряжения.  

Эксперимент 10. Влияние емкости конденсатора на выходное напряжение дифференциатора.

а) В схеме рис. 10.4  восстановите первоначальное значение параметров схемы, а величину емкости конденсатора установите равной 0.1мкФ. Включите схему. После установления процесса зарисуйте осциллограммы входного и выходного напряжения. По полученным осциллограммам определите скорость изменения входного напряжения и амплитуду выходного напряжения.   Сравните осциллограмму выходного напряжения, полученную в данном эксперименте, с осциллограммой, полученной в предыдущем эксперименте.

б) По заданным параметрам схемы и найденному значению скорости изменения входного напряжения рассчитайте амплитуду выходного напряжения.  

Результаты экспериментов.

Эксперимент 1. Суммирование постоянных напряжений.

U1 = 5 В,  U2 = 3 В.

I1

I2

I=I1+I2

IОС

UВЫХ

Расчет

Измерение

Расчет

Измерение

Расчет

Измерение

Расчет

Измерение

Расчет

Измерение

Эксперимент 2. Суммирование постоянного и переменного напряжения.

а) Сопротивление R2 = 5 кОм.                                                                        

Постоянная составляющая U0вых, В

Расчет __________________  Измерения________________

Амплитуда переменной составляющей напряжения Uвых, В

Расчет ________________      Измерения_______________

Осциллограммы входного и выходного напряжений

б) Сопротивление R2 = 2.5 кОм.

Постоянная составляющая U0вых, В

Расчет _______________   Измерения_________________

Амплитуда переменной составляющей напряжения Uвых, В

Расчет ______________      Измерения_________________

Осциллограммы входного и выходного напряжений

Эксперимент 3. Суммирование переменных напряжений.

Осциллограммы входного и выходного напряжений

Амплитуда выходного напряжения Uвых, В

Расчет _______________     Измерения_________________

     Эксперимент 4. Переходный процесс в схеме интегратора.

Осциллограммы входного и выходного напряжений

Амплитуда входного напряжения, В        Измерения_______

Скорость изменения входного напряжения, В/с  Измерения______

Амплитуда выходного напряжения, В       Измерения______

Эксперимент 5. Влияние амплитуды входного напряжения на переходной процесс в схеме интегратора.

Осциллограммы входного и выходного напряжений

Амплитуда входного напряжения, В     Измерения______

Скорость изменения входного напряжения, В/с Измерения______

Амплитуда выходного напряжения, В   Измерения_____

Эксперимент 6. Влияние параметров схемы на переходной процесс в схеме интегратора.

а) Сопротивление R1 = 5 кОм.

Осциллограммы входного и выходного напряжений

Амплитуда входного напряжения, В      Измерения_____

Скорость изменения выходного напряжения, В/с  Расчет _____

б) Емкость конденсатора  С = 0.02 мкФ.

Осциллограммы входного и выходного напряжений

Амплитуда входного напряжения, В                Измерения______

Скорость изменения выходного напряжения, В/с  Расчет _____

Эксперимент 7. Переходный процесс в схеме дифференциатора.

а)Амплитуда входного напряжения, В             Измерения_____

Скорость изменения выходного напряжения, В/с         Расчет ____

Осциллограммы входного и выходного напряжений

б) Амплитуда входного напряжения, В      Измерения______

Выходное напряжение, В                          Расчет _____

Эксперимент 8. Влияния частоты входного напряжения на выходное напряжение дифференциатора.

а)Осциллограммы входного и выходного напряжений

Амплитуда выходного напряжения, В                     Измерения_____

Скорость изменения выходного напряжения, В/с    Расчет _____

б)Амплитуда входного напряжения, В            Измерения______

Выходное напряжение, В                                            Расчет _____

Эксперимент 9. Влияние сопротивления в цепи обратной связи на выходное напряжение дифференциатора.

а)Осциллограммы входного и выходного напряжений

Амплитуда выходного напряжения, В                   Измерения______

Скорость изменения выходного напряжения, В/с      Расчет _____

б)Амплитуда входного напряжения, В            Измерения______

Выходное напряжение                                                 Расчет _____

Эксперимент 10. Влияние емкости конденсатора на выходное напряжение дифференциатора.

а)Осциллограммы входного и выходного напряжений

Амплитуда выходного напряжения, В              Измерения________

Скорость измерения выходного напряжения, В/с       Расчет  _____

б)Амплитуда выходного напряжения, В      Измерения______

Контрольные вопросы и задания

Лабораторная работа №11

ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ КОМПАРАТОРОВ

Цель работы: исследование схем компараторов на основе операционных усилителей.

Краткие теоретические сведения

Функциональное назначение компаратора заключается в изменении состояния выхода при переходе входным напряжением некоторого порогового значения. В качестве компаратора может применяться ОУ. При этом ОУ работает преимущественно в области положительного или отрицательного ограничения выходного напряжения, проходя область усилительного режима только вблизи порога.

На рис. 11.1 и 11.2 приведены схемы детекторов нулевого уровня, имеющих близкое к нулю пороговое напряжение. Схемы различаются способом подачи входного сигнала на вход ОУ. Использование разных входов ОУ для подачи входного сигнала позволяет реализовать фиксацию уровня входного напряжения положительным или отрицательным перепадом напряжения на выходе компаратора.

Рис.11.1

На рис. 11.3 и 11.4 приведены схемы детекторов положительного и отрицательного уровней входного напряжения. Пороговый уровень входного напряжения в этих схемах задается величиной напряжения смещения, подаваемого на инвертирующий вход ОУ. Напряжение смещения может задаваться стабилитроном, как показано на рис. 11.5.

Рис.11.2

Рис. 11.3

Рис. 11.4

Максимальное и минимальное значение выходного напряжения можно задавать при помощи внешних элементов. На рис. 11.6 приведена схема детектора нулевого напряжения с фиксацией уровней выходного напряжения при помощи стабилитрона.

Рис.11.5         Рис. 11.6

Компаратор на рис. 11.7 фиксирует наличие входного напряжения в определенном диапазоне значений. Если входное напряжение изменяется в пределах пороговых значений, устанавливаемых внешними элементами, то выходное напряжение имеет низкий уровень. При выходе за установленные пределы выходное напряжение изменяется на высокий уровень.

Рис. 11.7

Динамику переключения выходного напряжения схемы можно проследить по осциллограммам входного и выходного напряжения. При снятии этой характеристики на вход схемы подается гармоническое напряжение и двухлучевым осциллографом фиксируется входное и выходное напряжения.

Порядок проведения экспериментов

Результаты всех измерений и осциллограммы занести в раздел «Результаты экспериментов»

Эксперимент 1. Исследование характеристик детектора нулевого уровня с подачей сигнала на неинвертирующий вход ОУ

Соберите схему, изображенную на рис. 11.1. Включите схему. Зарисуйте осциллограммы входного  и выходного сигналов. Определите пороговое значение входного напряжения Uвх.

Эксперимент 2. Исследование характеристик детектора нулевого уровня с подачей сигнала на инвертирующий вход ОУ

Соберите схему, изображенную на рис. 11.2. Включите схему. Зарисуйте осциллограммы входного  и выходного сигналов. Определите пороговое значение входного напряжения Uвх.

Эксперимент 3. Исследование характеристик компаратора с положительным опорным напряжением

Соберите схему, изображенную на рис. 11.3. Включите схему. Зарисуйте осциллограммы входного  и выходного сигналов. Определите пороговое значение входного напряжения Uвх.

Эксперимент 4. Исследование характеристик компаратора с отрицательным опорным напряжением

Соберите схему, изображенную на рис. 11.4. Включите схему. Зарисуйте осциллограммы входного  и выходного сигналов. Определите пороговое значение входного напряжения Uвх.

Эксперимент 5. Исследование характеристик компаратора с опорным напряжением, задаваемым стабилитроном

Соберите схему, изображенную на рис. 11.5. Включите схему. Зарисуйте осциллограммы входного  и выходного сигналов. Определите пороговое значение входного напряжения Uвх и сравните его с напряженней стабилизации стабилитрона.

Эксперимент 6. Исследование характеристик компаратора с фиксацией выходного напряжения

а) Соберите схему, изображенную на рис.11.6. Включите схему. Зарисуйте полученные осциллограммы входного и выходного напряжения. По осциллограммам определите уровни выходного напряжения и пороговое напряжение.

б) В схеме рис.11.6 измените направление включения стабилитрона на обратное. Включите схему. Повторите операции п. а).

Эксперимент 7. Исследование характеристик компаратора с фиксированном зоной входного напряжения

Соберите схему, изображенную на рис.11.7.  Включите схему. Зарисуйте полученные осциллограммы входного и выходного напряжений. Определите пороговые напряжения Uнижн и Uверхн.

Результаты экспериментов

Эксперимент 1. Исследование характеристик детектора нулевого уровня с подачей сигнала на неинвертирующий вход ОУ

Осциллограммы

Пороговое напряжение UП =

Эксперимент 2. Исследование характеристик детектора нулевого уровня с подачей сигнала на инвертирующий вход ОУ

Осциллограммы

Пороговое напряжение UП =

Эксперимент 3. Исследование характеристик компаратора с положительным опорным напряжением

Осциллограммы

Пороговое напряжение UП =

Эксперимент 4. Исследование характеристик компаратора с отрицательным опорным напряжением

Осциллограммы

Пороговое напряжение UП =

Эксперимент 5. Исследование характеристик компаратора с опорным напряжением, задаваемым стабилитроном

Осциллограммы

Пороговое напряжение UП =

Эксперимент 6. Исследование характеристик компаратора с фиксацией выходного напряжения

а) При прямом включении стабилитрона

Осциллограммы

Уровни выходного напряжения, В

Пороговое напряжение UП =

б) При обратном включении стабилитрона

Осциллограммы

Уровни выходного напряжения, В

Пороговое напряжение UП =

Эксперимент 7. Исследование характеристик компаратора с фиксированном зоной входного напряжения

Осциллограммы

Верхний уровень порогового напряжения UВЕРХН, В

Нижний уровень порогового напряжения UНИЖН, В

Контрольные вопросы и задания

1) Каковы особенности применения ОУ в схемах компараторов?

2) Перечислите способы построения схем детекторов положительного уровня входного напряжения.

3) Чем определяется точность задания порогов входного напряжения в схемах детекторов уровня на основе ОУ?

4) На чем основана работа компаратора с фиксированной зоной входного напряжения?

PAGE  16


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

32743. Момент импульса. Уравнение моментов. Закон сохранения момента импульса 34 KB
  Момент импульса. Закон сохранения момента импульса. Моментом импульса т. Момент импульса характеризует количество вращательного движения.
32744. Гироскоп. Свободные оси. Главные оси момента инерции. Регулярная прецессия 50 KB
  Схема простейшего механического гироскопа в карданном подвесе Основные типы гироскопов по количеству степеней свободы: 2степенные 3степенные. Прецессия гироскопа. Прецессией называется движение по окружности конца оси гироскопа под действием постоянно действующей малой силы. Скорость прецессии гироскопа определяется величиной внешней силы F точкой ее приложения значением и направлением угловой скорости вращения диска гироскопа w и его моментом инерции I.
32745. Работа силы при вращении твердого тела. Кинетическая энергия вращающегося тела 34.06 KB
  Работа силы при вращении твердого тела. Кинетическая энергия вращающегося тела. Работа и мощность при вращении твердого тела. Найдем выражение для работы при вращении тела.
32746. Неинерциальные системы отсчёта. Силы инерции. Принцип эквивалентности. Уравнение движения в неинерциальных системах отсчёта 36 KB
  Силы инерции. При рассмотрении уравнений движения тела в неинерциальной системе отсчета необходимо учитывать дополнительные силы инерции. Это уравнение может быть записано в привычной форме Второго закона Ньютона если ввести фиктивные силы инерции: переносная сила инерции сила Кориолиса Сила инерции фиктивная сила которую можно ввести в неинерциальной системе отсчёта так чтобы законы механики в ней совпадали с законами инерциальных систем. В математических вычислениях введения этой силы происходит путём преобразования уравнения...
32747. Принцип относительности Галилея. Преобразования Галилея. Классическая теорема сложения скоростей. Инвариантность законов Ньютона в инерциальных системах отсчёта 39.5 KB
  Математически принцип относительности Галилея выражает инвариантность неизменность уравнений механики относительно преобразований координат движущихся точек и времени при переходе от одной инерциальной системы к другой преобразований Галилея.Пусть имеются две инерциальные системы отсчёта одну из которых S условимся считать покоящейся; вторая система S' движется по отношению к S с постоянной скоростью u так как показано на рисунке. величинами не изменяющимися при переходе от одной системы отсчёта к другой. В кинематике все системы...
32748. Постулаты Эйнштейна для СТО. Преобразования Лоренца 29.5 KB
  Преобразования Лоренца. Преобразования Лоренца возникли на рубеже XIXXX веков как формальный математический прием для согласования электродинамики с механикой и легли в основу специальной теории относительности. Согласно этим преобразованиям длины и промежутки времени искажаются при переходе из одной системы отсчета в другую. Преобразования Лоренца сложнее чем преобразования Галилея: В этих формулах x и t положение и время в условно неподвижной системе отсчета x′ и t′ положение и время в системе отсчета движущейся относительно...
32749. Относительность понятия одновременности. Относительность длин и промежутков времени. Интервал между событиями. Его инвариантность. Причинность 50.5 KB
  Следовательно события одновременные в одной инерциальной системе отсчета не являются одновременными в другой системе отсчета т. Относительность промежутков времени Пусть инерциальная система отсчета K покоится а система отсчета K0 движется относительно системы K со скоростью v. Тогда интервал времени между этими же событиями в системе K будет выражаться формулой: Это эффект замедления времени в движущихся системах отсчета. Относительность расстояний Расстояние не является абсолютной величиной а зависит от скорости движения тела...
32750. Релятивистский закон преобразования скорости. Релятивистский импульс 34 KB
  Релятивистский закон преобразования скорости. Пусть например в системе отсчета K вдоль оси x движется частица со скоростью Составляющие скорости частицы ux и uz равны нулю. Скорость этой частицы в системе K будет равна С помощью операции дифференцирования из формул преобразований Лоренца можно найти: Эти соотношения выражают релятивистский закон сложения скоростей для случая когда частица движется параллельно относительной скорости систем отсчета K и K'. Если в системе K' вдоль оси x' распространяется со скоростью u'x = c световой...
32751. Релятивистское уравнение динамики. Релятивистское выражение для кинетической и полной энергии. Взаимосвязь массы и энергии 43.5 KB
  Релятивистское выражение для кинетической и полной энергии. Взаимосвязь массы и энергии. Закон взаимосвязи массы и энергии. Для получения релятивистского выражения для кинетической энергии используем её связь с работой силы а силу подставим из релятивистской формы основного закона динамики материальной точки...