71739

Изучение операционных усилителей

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: ознакомление с принципами построения усилителей электрических сигналов на базе операционного усилителя ОУ выполненного на интегральной микросхеме. Коэффициент усиления усилителя. Обратная связь в электронных усилителях.

Русский

2014-11-11

162.5 KB

0 чел.

200

IV. Медицинская электроника

Лабораторная работа №19

Изучение операционных усилителей

Цель работы: ознакомление с принципами построения усилителей электрических сигналов на базе операционного усилителя (ОУ), выполненного на интегральной микросхеме.

Приборы и принадлежности: лабораторный макет, двухканальный электронный осциллограф, генератор звуковых частот, соединительные провода.

Литература

  1.  [1], §§ 22.1, 22.2, 22.3, 22.5.

Вопросы входного контроля

  1.  Назначение и структура электронных усилителей.
  2.  Коэффициент усиления усилителя.
  3.  Амплитудная характеристика. Нелинейные искажения.
  4.  Частотная характеристика. Линейные искажения.
  5.  Особенности усилителей биопотенциалов.
  6.  Обратная связь в электронных усилителях. Коэффициент усиления с учетом обратной связи. Стабильность усиления при наличии ООС.

  1.  Введение

Для усиления биопотенциалов широко применяются операционные усилители, выполненные на аналоговых интегральных микросхемах. Кроме того, аналоговые микросхемы применяются в таких медицинских аппаратах, как электрокардиограф, лазерные установки для физиотерапии и др.

В настоящей работе изучаются усилители с отрицательной обратной связью (ООС), построенные на аналоговой микросхеме КМ551УД2Б. В зависимости от вида цепи ООС можно получить усилители с различными свойствами. В частности, в данной лабораторной работе изучаются усилители напряжения, а также дифференцирующий и интегрирующий усилители.

Общие сведения об усилителях и их основные характеристики следует изучить по учебнику.

  1.  Основные свойства операционных усилителей (ОУ)

Операционные усилители  наиболее просто реализуются в виде интегральных аналоговых  микросхем, представляющих собой усилители постоянного тока. Свойства ОУ обеспечиваются соответствующим видом цепи внешней ( не интегральной) отрицательной обратной связи (ООС) и зависят от основных параметров микросхемы. Характерными особенностями ОУ на АМС являются:

  1.  Коэффициент усиления по напряжению без ООС высокий (обычно более 20000).
  2.  Входной ток микросхемы практически равен нулю. Это означает высокое входное сопротивление ОУ, что весьма важно для усилителей биопотенциалов. Например, при измерении мембранного потенциала используют микроэлектроды, сопротивление которых составляет десятки МОм. Для того, чтобы падение напряжения на микроэлектродах было незначительным, входное сопротивление усилителя должно быть в десятки раз выше.
  3.  ОУ имеет два дифференциальных входа. В таких усилителях выходное напряжение пропорционально разности напряжений, эта разность очень мала (несколько мВ), т.е. напряжения на дифференциальных входах ОУ  практически равны.

На электрических принципиальных схемах ОУ часто обозначается в виде треугольника следующим образом:

Рис. 1.

Если вход "-" соединить с точкой нулевого потенциала, а на вход "+" подать положительное напряжение, то напряжение на выходе ОУ будет также положительное. В случае "зануления" входа "+", при действии положительного напряжения на входе "-", выходное напряжение окажется отрицательным. Таким образом, при подаче сигнала на инвертирующий вход ОУ фаза выходного сигнала изменяется на 180 градусов, усилитель в этом случае называется инвертирующим.

1.2. Инвертирующий усилитель

Схема инвертирующего усилителя показана на рис.2.

Рис. 2.

Входной сигнал подается на инвертирующий вход ОУ, а неинвертирующий вход соединяется с точкой нулевого потенциала. Будем считать, что потенциал точки А равен 0, т.к. разность напряжений между входами ОУ близка к нулю. Поэтому токи, текущие через резисторы R1 и Rос (I1 и I2), соответственно равны Uвх/R1 и Uвых/Rос.  С учетом практического отсутствия входного тока самой микросхемы, их сумма, согласно первого закона Кирхгофа, равна нулю:   

                        

Отсюда, коэффициент усиления инвертирующего усилителя К равен:

.

Отрицательный знак К показывает, что выходное напряжение по знаку всегда противоположно входному, поэтому усилитель называется инвертирующим.

Входное сопротивление схемы инвертирующего усилителя существенно меньше, чем собственное входное сопротивление ОУ. Его значение можно оценить, если считать потенциал точки А равным нулю. В этом случае Rвх=R1.

  1.  Неинвертирующий усилитель

Если в качестве цепи обратной связи ОУ использовать простейший делитель напряжения и производить операцию вычитания напряжений с помощью дифференциальных входов ОУ, то получим схему неинвертирующего усилителя (рис.3).

Рис. 3.

Поскольку напряжения на дифференциальных  входах примерно равны, то Uвх=Uос. Напряжение Uос  является частью выходного- напряжения:

Отсюда, коэффициент усиления  равен:

Входное сопротивление схемы равно входному сопротивлению ОУ, то есть весьма велико.

Важным частным случаем неинвертирующего усилителя является такая схема включения ОУ, в которой Rос=0. Из формулы (2) получим для этой схемы К=1. Такая схема называется повторителем (рис. 4). Она используется в качестве преобразователя сопротивлений, например, в усилителях биопотенциалов клетки, когда входное сопротивление усилителя должно быть высоким.

Рис. 4.

1.4. Интегрирующий усилитель

Схема интегрирующего усилителя приведена на рис. 5.

Рис. 5.

Так как точку А можно считать точкой нулевого потенциала, то на конденсаторе С действует напряжение Uвых, т.е. Uс=Uвых. Ток, протекающий через резистор R, равен I1=Uвх/R. Пренебрегая малым входным током самой микросхемы, можно считать токи I1 и I2 равными. Током I2 заряжается конденсатор С. Выразим этот ток.

Известно, что заряд q, накапливаемый на обкладках конденсатора равен:

Ток, протекающий через конденсатор:

Как видно из рис. 5, ток I2  = -I1, а ток Ic = I2. Подставляя значения этих токов, получим:

Интегрируя последнее выражение, получим:

Выражение (4) показывает, что выходное напряжение интегрирующего усилителя пропорционально интегралу входного напряжения.

  1.  Дифференцирующий усилитель

Обратная связь в дифференцирующем усилителе осуществляется через резистор R (рис.6).

Рис. 6.

Принимая потенциал точки А равным нулю, имеем: Uc=Uвх.

Ток Iс равен . С другой стороны, . Выразим напряжение Uвых:

Таким образом, выходное напряжение в дифференцирующем усилителе пропорционально производной входного сигнала по времени.

  1.  Описание лабораторной установки

Для питания микросхемы требуется источник двухполярного напряжения +12В и –12В, который подключается к лабораторному макету при помощи клемм К13 (рис.7). Присоединение элементов цепи ООС производится при помощи гнезд Х16. Измерительные приборы подключаются к соответствующим гнездам «Вход» и «Выход» (см. рис. 7).

Рис. 7. Схема соединений лабораторной установки:

1 – операционный усилитель,

2 – генератор сигналов ГРН-1,

3 – вольтметр Ф-584,

4 – электронный осциллограф С1-79,

5 – мультиметр.

3. Порядок выполнения работы

  1.  Изучение инвертирующего усилителя

3.1.1.При помощи мультиметра измерить сопротивления резисторов цепи ООС.

3.1.2. Рассчитать коэффициент усиления.

3.1.3. Собрать схему инвертирующего усилителя и подключить измерительные приборы согласно схеме рис.7.

  1.  Установить частоту генератора, равную 1000Гц. Изменяя величину входного напряжения от 0,1В до 0,5В с интервалом 0,05В, измерить выходное напряжение. Результаты опыта занести в табл.1. Для каждого значения входного напряжения рассчитать коэффициент усиления К. Результаты расчетов занести в табл.1.

Таблица 1

Uвх, В

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

Uвых, В

К

При входном напряжении 0,2В снять осциллограммы входного и выходного напряжений. Объяснить полученные осциллограммы.

  1.  Используя данные табл.1, построить амплитудную характеристику усилителя.
    1.  Для входного напряжения 0,2В вычислить коэффициент усиления. Сравнить теоретическое и опытное значения коэффициентов усиления.
      1.  Установить входное напряжение, равное 0,1В. Поддерживая его постоянным, снять амплитудно-частотную характеристику. Значения частот задавать согласно таблицы, прилагающейся к рабочему макету. Коэффициент частотных искажений М, равный К(f)/К0, рассчитать по формуле:

где Uвых0 – выходное напряжение при частоте сигнала 1000Гц.

Результаты измерений и расчетов занести в табл.2.

Таблица 2

f, Гц

lg f

Uвых, В

М

100

2

200

2.3

400

2,6

800

2,9

1000

3

2000

3,3

3000

3.48

4000

3,6

5000

3,7

6000

3,78

  1.  Используя данные табл.2, построить амплитудно-частотную характеристику М(lgf).

  1.  Изучение неинвертирующего усилителя

3.2.1. Собрать схему неинвертирующего усилителя.

3.2.2. Установить частоту входного сигнала, равную 1000Гц, а амплитуду – 0,2В. Измерить выходное напряжение и вычислить коэффициент усиления. Зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжений.

3.2.3. Собрать схему повторителя.

  1.  Выполнить опыт согласно п. 3.2.2.

  1.  Изучение дифференцирующего усилителя

3.3.1. Собрать схему дифференцирующего усилителя.

3.3.2. Установить частоту входного сигнала 5000Гц.

3.3.3. Зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжений.

  1.  Показать, что выходное напряжение пропорционально производной входного напряжения.

  1.  Изучение интегрирующего усилителя

3.4.1. Собрать схему интегрирующего усилителя.

3.4.2. Выполнить опыт согласно п.п. 3.3.3.

3.4.3. Показать, что выходное напряжение пропорционально интегралу входного напряжения.

Вопросы выходного контроля

  1.  Как построить неинвертирующий усилитель на базе ОУ? Как рассчитать его коэффициент усиления?
  2.  То же для инвертирующего усилителя?
  3.  То же для дифференцирующего усилителя?
  4.  То же для интегрирующего усилителя?
  5.  Как построить на лабораторном макете неинвертирующий усилитель?
  6.  То же инвертирующий усилитель?
  7.  То же дифференцирующий усилитель?
  8.  То же интегрирующий усилитель?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

51005. Изучение газовых законов. Определение показателя адиабаты и политропы 55 KB
  Цель работы: изучение газовых законов, опытное определение показателя адиабаты и политропы воздуха. Приборы и принадлежности: баллон, манометр, насос Камовского.
51007. Изучение распределения Больцмана 44 KB
  Цель работы: изучение распределения Больцмана определение постоянной Больцмана. Компьютер выдал: Вывод: изучили распределение Больцмана определили постоянную Больцмана.
51009. Методи підвищення технічної експлуатації суднових газотурбонагнетачів 3.04 MB
  Суднові двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ) підрозділяють на поршневі і газотурбінні. Робочим тілом у них є гази, які утворюються при згоранні палива безпосередньо в циліндрах поршневих ДВЗ або спеціальних камерах газових турбін. Якщо теплову енергію, преобразуемую двигуном в механічну, використовують для обертання рушіів (на транспортних судах) або для основних виробничих цілей (на суднах технічного флоту)
51010. Устройство для задания интервалов времени (циклический таймер) 4.16 MB
  Прибор производственно-технического, военного или бытового назначения, в заданный момент времени выдающий определённый сигнал, либо включающий — выключающий какое либо оборудование через своё устройство коммутации электроцепи. Большей частью под таймерами подразумеваются устройства, отмеряющие заданный интервал времени
51011. Биологические истоки морального поведения. Как соотносится этика с другими механизмами регуляции общественных отношений 69 KB
  Охарактеризуйте биологические истоки морального поведения. Мораль способ регулирования отношений. Природа морали ее биологические истоки. Как соотносится этика с другими механизмами регуляции общественных отношений. Утверждение мыслителей. Понятие нормы. Социальные нормы как способ регулирования отношений (формы)...
51013. Українська мова. Усі плани-конспекти уроків. 5 клас. С.А. Омельчук 21.68 MB
  Значення мови в житті суспільства. Іменник. Велика буква і лапки віменниках. Поняття про розмовний, науковий, художній, офіційно-діловий та публіцистичний стилі мовлення. Діалог, його розігрування відповідно до запропонованої ситуації спілкування. Звуки мовлення. Голосні та приголосні звуки. Складні речення із безсполучниковим і сполучниковим звязком. Кома між частинами складного речення...