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

37956. Девиантное поведение. Концепции девиантного поведения 17.59 KB
  Девиантное поведение – поведение, отклоняющееся от нормы; когда человек ведет себя не в соответствии с нормами и стандартами поведения, принятыми в данном обществе.
37958. Определение моментов инерции твердых тел методом трифилярного подвеса 318.5 KB
  Момент инерции.1] Список литературы Лабораторная работа № 1 Определение моментов инерции твердых тел методом трифилярного подвеса 1. Экспериментальное определение моментов инерции твердых тел. Момент инерции.
37959. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТОВ ИНЕРЦИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ ТРИФИЛЯРНОГО ПОДВЕСА 284.5 KB
  ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТОВ ИНЕРЦИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ ТРИФИЛЯРНОГО ПОДВЕСА 1. Цель работы Экспериментальное определение моментов инерции твердых тел. Момент инерции. Теорема Штейнера Моментом инерции материальной точки...
37960. ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ СОХРАНЕНИЯ МОМЕНТА ИМПУЛЬСА И ЭНЕРГИИ 160.54 KB
  Количественной мерой различных форм движения и взаимодействия материи является энергия. В соответствии с различными формами движения и взаимодействия материи различают виды энергии: механическую, тепловую, электромагнитную, ядерную и другие. Механическая энергия является мерой механического движения рассматриваемой системы, а также механического взаимодействия тел системы друг с другом и с внешними телами. Различают два вида механической энергии: кинетическую и потенциальную.
37961. Законы вращательного движения твердого тела 196.5 KB
  Проверка зависимости момента инерции грузов от расстояния до оси вращения. Рассмотрим твердое тело вращающееся вокруг оси ОО. Рассмотрим один из элементов массой mi расположенный на расстоянии ri от оси вращения. Моментом силы относительно оси называют физическую величину численно равную произведению силы на плечо.
37962. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТОВ ИНЕРЦИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ 493.5 KB
  Момент инерции.11 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТОВ ИНЕРЦИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ 1. Цель работы Исследование крутильных колебаний и измерение момента инерции тела сложной формы. Момент инерции.
37963. Определение моментов инерции тел произвольной формы 180 KB
  Определение моментов инерции математического и физического маятников8 3. Определение момента инерции физического маятника в зависимости от распределения массы10 4.11 Лабораторная работа № 5 Определение моментов инерции тел произвольной формы 1. Цель работы Определение момента инерции математического и физического маятника а также изучение зависимости момента инерции физического маятника от распределения массы.
37964. Изучение законов поступательного движения тела 786 KB
  Изучение законов поступательного движения тела 1. Цель работы Проверка основных законов кинематики и динамики поступательного движения тела на машине Атвуда. Теоретическая часть Простейшая форма движения это механическое движение которое характеризуется изменением с течением времени взаимного расположения тел или их частей относительно друг друга в пространстве.