Лаба Исследование схем на основе операционного усилителя. Исследование схем на основе операционного усилителя
 Скачать 1.9 Mb.
|
|
Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ Кафедра электронных вычислительных машин Факультет компьютерных систем и сетей Отчет по лабораторной работе №1 Тема: «Исследование схем на основе операционного усилителя» Проверил: к.т.н., доцент Селезнев И.Л. Минск 2020 Исследование работы логических элементов 1.Цель работы: Ознакомиться с характеристиками операционного усилителя, принципами построения схем преобразования аналоговых сигналов на основе операционного усилителя, исследование инвертирующего и неинвертирующего усилителей на основе операционного усилителя, исследование схем интегрирования и дифференцирования аналоговых сигналов. 2.Исходные данные: В состав лабораторного стенда входят: базовый лабораторный стенд лабораторный модуль Lab6А для исследования схем на основе операционного усилителя. 3.Задание на выполнение работы: Установить лабораторный модуль Lab6А на макетную плату лабораторной станции NI ELVIS. Загрузить и запустить программу Lab-6А.vi. Нажать кнопку «Начать работу». На экране появится изображение ВП, необходимое для выполнения заданий. 4.Теоретические сведения: Операционный усилитель (ОУ) – это полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления напряжения и обеспечивающий выполнение различных операций по преобразованию аналоговых электрических сигналов: усиление, сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т.д. Возможность выполнения этих операций ОУ является наличием цепей положительной и /или отрицательной обратной связи, в состав которых могут входить сопротивления, емкости, индуктивности, диоды, стабилитроны, транзисторы и некоторые другие электронные элементы.  Рисунок 4.1. Условное обозначение ОУ Типовой операционный усилитель представляет собой дифференциальный усилитель с очень высоким коэффициентом усиления. Идеальный операционный усилитель обладает следующими свойствами: 1.Коэффициент передачи ОУ без обратной связи равен бесконечности; 2.входной ток равен нулю; 3.напряжение смещения и ток смещения нуля на выходе ОУ равны нулю; 4.входное сопротивление ОУ равно бесконечности; 5.выходное сопротивление равно нулю  Рисунок 4.2. Принципиальная схема инвертирующего усилителя на основе ОУ Неинвертирующий усилитель можно получить путем заземления входного сопротивления R1 в схеме инвертирующего усилителя. При этом входной сигнал должен подаваться на неинвертирующий вход.  Рисунок 4.3. Принципиальная схема неинвертирующего усилителя на основе ОУ Для идеального ОУ входное дифференциальное напряжение U равно нулю, следовательно Uвх=U. Операционный усилитель, используемый в неинвертирующей схеме может являться буфером между схемами на входе и на выходе. Особым случаем является случай когда Roc=0 , а резистор R1 во входной цепи отсутствует. Такая схема называется повторителем напряжения, т.к. коэффициент усиления по напряжению для нее равен 1.  Рисунок 4.4. Принципиальная схема повторителя напряжения на ОУ Дифференциальная схема на основе ОУ обеспечивает усиление сигналов на каждом из дифференциальных входов в Roc/R1 раз. Uвых=(Roc/R1)(U2-U1)  Рисунок 4.5. Принципиальная схема дифференциального усилителя на основе ОУ Суммирующая схема на основе ОУ это модификация инвертирующей схемы для двух или более входных сигналов. Каждое входное напряжение Ui подается на инвертирующий вход через соответствующий резистор Ri. Uвых = -Roc(U1/R1)-Roc(U2/R2) если R1=R2=R, то уравнение для схемы сумматора имеет вид: Uвых = -Roc/R(U1+U2)  Рисунок 4.6. Принципиальная схема сумматора на основе ОУ Схема интегратора на основе ОУ получается путем замены в инвертирующей схеме резистора обратной связи на конденсатор. Значение напряжения на выходе интегратора пропорционально интегралу от входного напряжения, а масштабный коэффициент равен 1/R1Coc и имеет размерность сек-1. Uвых =  Входное напряжение будет нарастать линейно с указанной скоростью до тех пор, пока ОУ не перейдет в режим насыщения.  Рисунок 4.7. Принципиальная схема интегратора на основе ОУ. Дифференцирующая схема на основе ОУ напоминает интегратор, у которого изменены места подключения резистора и конденсатора. Uвых = -Rос*С1*dUвх/dt Выходное напряжение пропорционально скорости изменения входного сигнала.  Рисунок 4.8. Принципиальная схема дифференцирующего устройства на основе ОУ 5.Выполнение работы: 5.1 Получение передаточной характеристики инвертирующего усилителя 5.1.1. Установить диапазон изменения входного сигнала (Uвх, min= -1.2 В, Uвх, max= 1.2 В) и пределы изменения выходного сигнала (Uвых, min= -10 В, Uвых, max= 10 В). Нажать кнопку «Измерение». На графическом индикаторе появится изображение передаточной характеристики инвертирующего усилителя.  Рисунок 5.1. Результат выполнения п. 5.1.1 5.1.2 Определить по передаточной характеристике положительное Uогр+ и отрицательное Uогр- напряжения ограничения сигнала на выходе схемы, используя для этого горизонтальную визирную линию, перемещаемую с помощью ползункового регулятора ВП. Uогр+ = 7,68В Uогр- = -7.97В 5.1.3 Определить коэффициент усиления инвертирующего усилителя. Для этого на передаточной характеристике с помощью визирных линий определить координаты двух произвольных точек на наклонном участке характеристики и вычислить результат по формуле:
Кус =  = 5.2 Исследование работы инвертирующего усилителя 5.2.1 Установить режим измерения: форма сигнала – синусоидальная, частота сигнала – 200 Гц. Амплитуда входного сигнала выбирается такой величины, при которой выходной сигнал не имеет искажений и удобен для наблюдений и измерений.  Рисунок 5.2. Результат выполнения пункта 5.2.1 5.2.2 Используя изображение входного и выходного сигналов на графических индикаторах ВП, определить с помощью горизонтальной визирной линии ВП амплитуды входного Uвх,m и выходного Uвых,m сигналов. С помощью полученных данных вычислите коэффициент усиления инвертирующего усилителя по формуле К =  Сравнить фазы сигналов на входе и на выходе инвертирующего усилителя. Сделать вывод о характере изменения фазы сигнала инвертирующим усилителем.   Коэффициент усиления инвертирующего усилителя:  Входной и выходной сигналы находятся в противофазе. 5.2.3 Рассчитать коэффициент усиления инвертирующего усилителя: К =  Сравнить значения коэффициентов усиления, полученных по передаточной характеристике (п.4.1.3), на основании результатов измерений (п.4.2.2), и расчетным путем (п.4.2.3) и сделать вывод: Коэффициент усиления инвертирующего усилителя:  Коэффициент усиления инвертирующего усилителя, полученный экспериментально больше его теоретического значения. 5.3. Получение передаточной характеристики неинвертирующего усилителя 5.3.1 С помощью элементов управления установить диапазон измерения входного сигнала (Uвх min = -1,2В, Uвх mаx = 1,2В) и пределы измерения выходного сигнала (Uвых min = -10В, Uвых mаx = 10В).  Рисунок 5.3. Результат выполнения пункта 5.3.1 5.3.2 Определить по передаточной характеристике Uогр+ и отрицательное Uогр- напряжения ограничения сигнала на выходе схемы. Определить коэффициент усиления.  
Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя:  5.4 Исследование работы неинвертирующего усилителя 5.4.1 Установить режим измерения: форма сигнала – синусоидальная, частота сигнала 200 Гц, амплитуда входного сигнала – удобная для наблюдений и измерений. Сравнить фазы сигнала на входе и на выходе неинвертирующего усилителя.  Рисунок 5.4. Результат выполнения п. 5.4.1 5.4.2 Рассчитать коэффициент усиления неинвертирующего усилителя.  Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя:  Сдвиг фаз входных и выходных сигналов равен 0. 5.4.3 По осциллограмме определить амплитуды входного Uвх,м и выходного Uвых,м сигналов. Вычислить коэффициент усиления неинвертирующего усилителя по формуле: К=Uвых,м/Uвх,м Сравнить значения коэффициентов усиления, полученные по передаточной характеристике и на основе результатов измерений. Сделать вывод: Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя: Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя, полученный экспериментально, приблизительно равен его теоретическому значению. Однако есть небольшие отклонения в связи с различными погрешностями, которые связаны с работой измерительных приборов. 5.5 Исследование работы интегратора напряжений 5.5.1 Установить режим измерений: форма сигнала – прямоугольная, частота сигнала 200 Гц, амплитуда сигнала – удобная для наблюдений и измерений.  Рисунок 5.5. Результат выполнения п. 5.5.1 5.5.2 Определить скорость измерения выходного сигнала и рассчитать ее. Сравнить результаты расчетов.    Скорость изменения выходного сигнала (экспериментальное):  Скорость изменения выходного сигнала (теоретическое):  Степень идеальности интегратора высока, так как скорости изменения выходного сигнала теоретическая и экспериментальная приблизительно равны. 5.5.3 Получить осциллограммы выходного сигнала интегратора для синусоидальной, треугольной и пилообразной форм входного напряжения.  Рисунок 5.6. Осциллограмма для синусоидальной формы входного напряжения Выходной сигнал опережает входной на  . Рисунок 5.7. Осциллограмма для треугольной формы входного напряжения  Рисунок 5.8. Осциллограмма для прямоугольной формы входного напряжения Смещение графиков выходных и выходных сигналов на вызвано наличием конденсатора в схеме.5.6 Исследование работы дифференциатора напряжений 4.6.1 Установить режим измерений: форма сигнала – треугольная, частота сигнала 200Гц, амплитуда сигнала – удобная для наблюдений и измерений.  Рисунок 5.9. Результат выполнения п. 5.6.1 5.6.2 Определить амплитуду Uвых,м выходного сигнала.   5.6.3 Определить скорость измерения входного сигнала треугольной формы. Скорость изменения входного сигнала:  5.6.4 Рассчитать амплитуду выходного напряжения. Амплитуда выходного напряжения:  5.6.5 Сравнить результаты измерений и расчетов, сделать вывод о степени идеальности дифференциатора напряжений. Степень идеальности интегратора высока, так как амплитуда выходного напряжения теоретическая и экспериментальная приблизительно равны. 5.6.6 Получить изображения сигнала на выходе дифференциатора напряжения для синусоидальной, прямоугольной, пилообразной форм входного напряжения.  Рисунок 5.10. Форма сигнала - синусоидальная Входной сигнал опережает выходной на . Рисунок 5.11. Форма сигнала - прямоугольная  Рисунок 5.12. Форма сигнала – пилообразная Смещение графиков выходных и выходных сигналов на вызвано наличием конденсатора в схеме.Вывод: В результате выполнения лабораторной работы была исследована работа операционного усилителя, исследованы принципы построения схем преобразования аналоговых сигналов на основе операционного усилителя, исследована работа инвертирующего и неинвертирующего усилителей на основе операционного усилителя, исследована работа схем интегрирования и дифференцирования аналоговых сигналов. |