|
|
_1_Исследование масштабирующих преобразователей. Исследование масштабирующих преобразователей Теоретические сведения
Лабораторная работа 1
Исследование масштабирующих преобразователей
Теоретические сведения.
|
Масштабирующие преобразователи применяются для приведения выходного сигнала первичного измерительного преобразователя (датчика) к стандартному уровню для дальнейшего преобразования в цифровую форму и обработки в микропроцессорных системах управления или измерения. Такие преобразователи, по существу, являются усилителями, которые преимущественно выполняются на операционных усилителях (ОУ) в интегральном исполнении, при этом чаще всего используются три схемы включения ОУ, показанные на рис.1.
|
|
Рис.1. Инвертирующий (а), неинвертирующий (б) усилитель и повторитель напряжения (в) на ОУ
|
Усилитель на рис.1,а называется инвертирующим по той причине, что на его выходе сигнал находится в противофазе с входным. Его коэффициент усиления по постоянному току в первом приближении определяется формулой:
|
Kои=R2/R1 в диапазоне частот K(j )=K0/(1+j / гр),
|
(1)
|
где гр - граничная частота ОУ по уровню 0,707K0.
Коэффициент усиления по постоянному току неинвертирующего усилителя (рис.l, б) в первом приближении равен Kон=1+R3/R1. Частным случаем неинвертирующего усилителя является повторитель напряжения (рис.1,в) с единичным коэффициентом передачи. Он обладает весьма высоким входным сопротивлением и используется для согласования высокоомных датчиков с последующими низкоомными преобразователями.
Одной из важных характеристик усилителей являются их частотные характеристики.
Весьма важными характеристиками ОУ являются смещение нуля и паразитные входные токи. Эти параметры определяют точностные характеристики таких устройств, как аналоговые вычислительные машины, разнообразная измерительная техника и т.п.
Для инвертирующего усилителя выходное напряжение, вызванное напряжением смещения нуля Vos, определяется выражением:
|
а вызванное входными токами Ibc и их разностью Ioff - соответственно выражениями
|
Uois=Ibc(R2-R1||R3||Ri),
|
(3)
|
Uoib=IoffR3,
|
(4)
|
где значок || означает параллельное включение сопротивлений, Ri - входное сопротивление ОУ.
|
Подок выполнения работы.
|
1. Используя описанную ниже методику определения рабочего диапазона частот ОУ, проведите с помощью схемы на рис.2 сравнительный анализ ОУ следующих типов: LF157 (К140УД23), LM108 (К140УД14), LM358 (К140УД5) и МС1456 (К140УД6). Выберите ОУ с максимальной граничной частотой.
В качестве примера рассмотрим схему на рис.2, которая содержит ОУ МС1456, функциональный генератор и измеритель амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик (АЧХ-ФЧХ). Для оценки рабочего диапазона частот усилителя на ОУ измеряют его АЧХ и определяют верхнюю граничную частоту по уровню 0,707, что соответствует спаду усиления на -3Дб. Из АЧХ усилителя на ОУ МС1456 (рис. 2) видно, что диапазон частот по уровню -3 Дб составляет 0...380 кГц.
2. Для моделирования влияния дестабилизирующих факторов на выходное напряжение ОУ используется схема на рис.3. Поскольку в процессе эксперимента придется варьировать параметры ОУ, для предотвращения порчи библиотечного компонента целесообразно организовать новую библиотеку, скопировав в нее выбранный компонент, например, ОУ МС1456.
Моделирование целесообразно проводить в следующем порядке:
в режиме редактирования характеристик ОУ установите значения Ibc=Ioff=0, а для Vos выберите значения 1, 3, 5, 10 мВ и с помощью мультиметра измерьте соответствующие им выходные напряжения Uoos. Полученные данные сравните с результатами расчетов по формуле (2);
-
|
|
Рис.2. Усилитель на ОУ МС1456 и его АЧХ
|
|
Рис.3. Схема для исследования влияния на выходное напряжение ОУ напряжения смещения и паразитных входных токов
|
3. установите Vos=0, Ioff=0, для Ibc выберите 1е-10, 3е-10, 5е-10, 1е-9 А, для этих значений измерьте Uoos и сравните с данными расчетов по формуле (3); в случае их расхождений попытайтесь объяснить причину, используя эквивалентную схему (заметим, что формула (3) получена в предположении, что входные токи Ibc имеют одинаковое направление - или втекающие или вытекающие из входных зажимов ОУ в зависимости от типа используемых во входных каскадах транзисторов);
установите Vos=0, Ibc=0 и для Ioff выберите 1е-10, Зе-10, 5е-10 А; для каждого значения Ioff измерьте Uoos и сравните с данными расчетов по формуле (4); повторите опыт при Ibc=1е-9 А, после чего сделайте вывод о взаимном влиянии Ioff и Ibc.
Заметим, что размерность и обозначения коэффициента передачи зависят от значений и величин входного и выходного сигнала, например, S=Iвых/Uвх - носит название коэффициента преобразования напряжения в ток; W=Pвых/Iвх - коэффициент преобразования тока в мощность. В частном случае, когда входное и выходное значения сигнала являются однородными, коэффициент передачи называют коэффициентом усиления, который в зависимости от характера входной или выходной величин подразделяют на: коэффициент усиления по напряжению Ku=Uвых/Uвх, коэффициент усиления по току Ki=Iвых/Iвх, коэффициент усиления по мощности Kp=Pвых/Pвх и соответственно в логарифмических единицах, Ku=20lg(Uвых/Uвх), Ki=20lg(Iвых/Iвх), Kp=10lg(Pвых/Pвх).
4. Для усилителя на рис.4 коэффициент усиления K=Uo/Ui=R2/R1=1000. Следовательно, при входном напряжении 1 мВ выходное напряжение должно быть равно 1 В, а вольтметр показывает 500мВ. Объясните причину такого явления.
-
5. Проведите моделирование влияния напряжения смещения нуля и паразитных входных токов ОУ на его выходное напряжение, используя схему на рис.4. Проведите сравнительный анализ дестабилизирующих параметров ОУ, перечисленных в п.1.
|
Контрольные вопросы и задания.
|
1. Что такое масштабирующий преобразователь, какие схемы используются для реализации?
2. Приведите основные определения, используемые в теории усилителей с обратными связями (ОС).
3. Назовите тип ОС, используемой в инвертирующем усилителе на ОУ и эмиттерном повторителе (параллельная, последовательная, по току, по напряжению).
4. Какое влияние оказывает отрицательная ОС на стабильность коэффициента усиления?
5. Назовите условия устойчивой работы усилителя с ОС.
6. Каким образом влияет обратная связь на входное и выходное сопротивления усилителя?
| |
|
|
Скачать 85 Kb.
