Курсовая работа Разработка лабораторного усилителя постоянного тока на операционном усилителе. Курсовая Разработка лабораторного усилителя постоянного тока на. Иркутский государственный технический университет

• Название: Иркутский государственный технический университет
• Анкор: Курсовая работа Разработка лабораторного усилителя постоянного тока на операционном усилителе
• Дата: 19.04.2023
• Размер: 334.29 Kb.
• Имя файла: Курсовая Разработка лабораторного усилителя постоянного тока на .docx
• Тип: Курсовой проект; #1074511

Министерство науки и высшего образования РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра радиоэлектроники и телекоммуникационных систем

^{наименование кафедры}

Допускаю к защите

Руководитель работы

^{подпись И.О.Фамилия}

«»20г.
Разработка лабораторного усилителя постоянного тока на операционном усилителе

^{наименование темы}

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине

“Схемотехника аналоговых электронных устройств”

1.000.00.00 ПЗ

^{обозначение документа}
Выполнил студент группы

^{подпись И.О. Фамилия}

Нормоконтроль ^{о подпись И.О. Фамилия}

Курсовой проект защищен с оценкой

__________________

Иркутск 20 г.

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЗАДАНИЕ

НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
По курсу Схемотехника аналоговых электронных устройств .

Студенту гр. . .

Тема проекта. Разработка лабораторного усилителя постоянного тока на операционном усилителе
Исходные данные:

Разработать лабораторный усилитель постоянного тока на ОУ. Коэффициент усиления по напряжению должен быть плавно регулируемым 1÷1000 раз. Переключение должно осуществляться вручную. Рекомендуется разбить диапазон на три поддиапазона: 1÷10, 10÷100, 100÷1000. Верхняя частота среза не ниже 100 кГц. Входное сопротивление не менее 10 кОм.
Рекомендуемая литература:

1. 
   Марюхненко В.С. Транзисторные схемы аналоговой обработки сигналов: учебное пособие. – Иркутск: ИВАИИ, 1998 – 37 с.
   
2. 
   Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника. Полный курс: учеб. для вузов по специальности «Проектирование и технология радиоэлектрон. средств» /Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров. – М.: Горячая линия-Телеком, 2005. -768
   
3. 
   Хоровиц, Пауль . Искусство схемотехники : в 3 т. [Т.] 1 / Пауль Хоровиц; Пер. с англ. Б.Н. Бронина, 1993. - 411 с.
   
4. 
   Хоровиц, Пауль . Искусство схемотехники / Пауль Хоровиц; Пер. с англ. Б.Н. Бронина и др., 1998. - 704 с.
   

Дополнительные указания

При оформлении материалов проекта руководствоваться требованиями стандарта СТО 005-2015.
Дата выдачи задания «» _______________________20___г.

Задание получил _____________ ________

^{подпись И.О. Фамилия}

Дата представления проекта руководителю «____» _______________________ 20___ г.

Руководитель курсового проектирования _______________ _________

^{подпись И.О. Фамилиия}



Содержание

1. 
   Введение…………………………………………….…………...………....4
   
2. 
   Теоретическая часть…...…………………………………………………..5
   
3. 
   Практическая часть………….……….........................................................8
   
4. 
   Заключение………………………………………………………………..11
   
5. 
   Список использованных источников……………………………………12
   

Введение

В данной работе с помощью программы Multisim был собран усилитель постоянного тока на базе операционного усилителя. В схему входит непосредственно сам операционный усилитель, генератор сигналов, реостат, четыре резистора, переключатель, а также осциллограф для проверки коэффициента усиления. Амплитуда генерируемого сигнала 200 мВ, частота – 100 кГц. Напряжение питания ОУ нужно брать до 200 В, так как необходимо получить коэффициент усиления до 1000 раз.
Теоретическая часть

Операционные усилители. Общие сведения.

Операционные усилители (ОУ), являющиеся практически реальными усилителями напряжения, находят широкое применение в аналоговой схемотехнике. Несмотря на ряд ограничений, присущих реальным ОУ, при анализе и синтезе большинства схем используют идеальные модели операционных усилителей, считая, что коэффициент усиления дифференциального напряжения бесконечно велик и не зависит от частоты сигнала; коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю; сопротивление по обоим входам бесконечно велико; отсутствует сдвиг нуля выходного напряжения и его дрейф; скорость изменения выходного напряжения бесконечно велика.

Свое название операционные усилители (ОУ) получили из-за того, что первоначально применялись для выполнения математических операций сложения, вычитания, умножения и деления. Первые ОУ, использовавшиеся в аналоговых вычислительных машинах на лампах, работали с напряжениями порядка ±100 В.

В настоящее время в электронике широкое распространение получила цифровая обработка сигналов. Цифровые методы, основывающиеся на использовании микропроцессоров, проникли во множество областей радиоэлектроники и привели к созданию совершенно новых способов обработки сигналов. Одновременно наблюдается развитие аналоговой электроники, поскольку по мере развития систем цифровой обработки повышаются требования к качеству входных и выходных аналоговых сигналов. Операционный усилитель является базовым элементом устройств аналоговой обработки сигналов.

Идеальный операционный усилитель и его свойства

Так как наш мир не является идеальным, так и идеальных операционных усилителей не существует. Однако параметры современных ОУ находятся на достаточно высоком уровне, поэтому анализ схем с идеальными ОУ даёт результаты, очень близкие к реальным усилителям [1].

Для понимания работы схем с операционными усилителями вводится ряд допущений, которые приводят реальные операционные усилители к идеальным усилителям. Таких допущений всего пять:

1. 
   Ток, протекающий через входы ОУ, принимается равным нулю.
   
2. 
   Коэффициент усиления ОУ принимается бесконечно большим, то есть выходное напряжение усилителя может достичь любых значений, однако в реальность ограничено напряжением питания.
   
3. 
   Разность напряжений между входами идеального ОУ равна нулю, то есть если один из выводов соединён с землёй, то и второй вывод имеет такой же потенциал. Отсюда также следует, что входное сопротивление идеального усилителя бесконечно.
   

4. 
   Выходное сопротивление идеального ОУ равно нулю.
   
5. 
   Амплитудно-частотная характеристика идеального ОУ является плоской, то есть коэффициент усиления не зависит от частоты входного сигнала [1].
   

Не инвертирующий усилитель

Не инвертирующий усилитель характеризуется тем, что входной сигнал поступает на не инвертирующий вход операционного усилителя.

Рисунок 1 – Схема включения не инвертирующего усилителя

Работа данной схемы объясняется следующим образом, с учётом характеристик идеального ОУ. Сигнала поступает на усилитель с бесконечным входным сопротивлением, а напряжение на не инвертирующем входе имеет такое же значение, как и на инвертирующем входе. Ток на выходе операционного усилителя создает на резисторе R2 напряжение, равное входному напряжению.

Таким образом, основные параметры данной схемы описываются следующим соотношением

Отсюда выводится соотношение для коэффициента усиления не инвертирующего усилителя

Таким образом, можно сделать вывод, что на коэффициент усиления влияют только номиналы пассивных компонентов.

Необходимо отметить особый случай, когда сопротивление резистора R2 намного больше R1 (R2 >> R1), тогда коэффициент усиления будет стремиться к единице. В этом случае схема не инвертирующего усилителя превращается в аналоговый буфер или операционный повторитель с единичным коэффициентом передачи, очень большим входным сопротивлением и практически нулевым выходным сопротивлением. Что обеспечивает эффективную развязку входа и выхода.

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель характеризуется тем, что неинвертирующий вход операционного усилителя заземлён ( то есть




подключен к общему выводу питания). В идеальном ОУ разность напряжений между входами усилителя равна нулю. Поэтому цепь обратной связи должна обеспечивать напряжение на инвертирующем входе также равное нулю. Схема инвертирующего усилителя изображена ниже



Рисунок 2 – Схема инвертирующего усилителя.

Работа схемы объясняется следующим образом. Ток, протекающий через инвертирующий вывод в идеальном ОУ равен нулю, поэтому токи протекающие через резисторы R1 и R2 равны между собой и противоположны по направлению, тогда основное соотношение будет иметь вид





Тогда коэффициент усиление данной схемы будет равен

Знак минус в данной формуле указывает на то, что сигнал на выходе схемы инвертирован по отношению к входному сигналу[2].



Практическая часть

Собрали рабочую схему инвертирующего усилителя на основе операционного усилителя.

Рисунок 3 – Схема экспериментальной установки

Коэффициент усиления в инвертирующем усилителе рассчитывается по формуле , где ( – сопротивление реостата). Получаемый коэффициент усиления должен быть разбит на три диапазона: k=1-10, k=10-100, k=100-1000. Для удобства взяты 3 резистора на обратной связи, подключенные параллельно. Включение каждого из них осуществляется с помощью переключателя. Таким образом, переключатель позволяет производить переход между диапазонами коэффициентов усиления. Регулировкой переменного резистора можно изменять коэффициент усиления в выбранном диапазоне.

Для проверки работоспособности на вход подаем сигнал частотой 100 кГц и амплитудой 200 мВ. Включен резистор R2=100 кОм. Сопротивление реостата = 45 кОм, итого сопротивление равно 55 кОм. По формуле



.
Рисунок 4 – Осциллограмма при = 55 кОм и = 10 кОм; красный входной, канал А; зеленый выходной, канал В.

Расчетный коэффициент усиления .

Теоретический и расчетный коэффициент усиления равны.

Далее проведем испытание при включенном резисторе R3 и сопротивлении реостата = 9 кОм, = 19 кОм. Теоретический коэффициент усиления: .

Расчетный коэффициент усиления:

Рисунок 5 – Осциллограмма при = 19 кОм и = 1000 кОм

Проведем еще одно испытание. Включен резистор R4. Сопротивление реостата 90 кОм, входное сопротивление 100 кОм.

Теоретический коэффициент усиления: .

Расчетный коэффициент усиления

Рисунок 6 – Осциллограмма при = 100 кОм и = 10000 кОм

Заключение

В ходе данной работы была собрана схема инвертирующего усилителя на операционном усилителе. Усилитель работает в трех диапазонах усиления: k = 1÷10, k = 10÷100, k = 100÷1000. Переход между диапазонами осуществляется при помощи переключения сопротивлений обратной связи. Подбор коэффициента усиления в выбранном диапазоне производится изменением сопротивление переменного резистора. Была проведена проверка работоспособности схемы. Теоритический и практический коэффициенты усиления различаются незначительно.



Список использованных источников

1. 
   И. П. Ефимов. Операционные усилители и их применение. – Ульяновск: УлГТУ, 2000 г. - 70с.
   
2. 
   Блог электроника [Электронный ресурс]. - https://www.electronicsblog.ru/nachinayushhim/sxemy-vklyucheniya-operacionnyr-usilitelej.html