методичка. методичка по лабам Основы электроники. Методические указания для выполнения лабораторных работ по дисциплине Основы электроники
 Скачать 2.57 Mb.
|
|
Эксперимент 3. Измерение входного и выходного сопротивлений. а) Откройте файл с 11_003 со схемой, изображенной на рисунке 12.5. Включите схему. Измерьте входной ток Iвх и выходное напряжение Uвых запишите показания в раздел "Результаты экспериментов". Переключите ключ клавишей [Space]. Измерьте входной ток после переключения ключа. Рассчитайте изменения входного напряжения и тока. По полученным результатам вычисли- те дифференциальное входное сопротивление ОУ. Результаты занесите в раздел  "Результаты экспериментов". Рисунок 3.5 - Схема для измерения сопротивлений ОУ б) Уменьшайте сопротивление нагрузочного резистора RL до тех пор, по- ка выходное напряжение Uвых не будет примерно равно половине значения по- лученного в предыдущем пункте (а). Запишите значение сопротивления RL, ко- торое в этом случае приблизительно равно выходному сопротивлению Uвых ОУ, в раздел "Результаты экспериментов". Эксперимент 4. Измерение времени нарастания выходного напряжения ОУ. Откройте файл с11_004 со схемой, изображенной на рисунке 12.6.  Рисунок 3.6 - Схема для измерения нарастания выходного напряжения ОУ Включите схему. Отобразите осциллограмму выходного напряжения в разделе "Результаты экспериментов". По осциллограмме определите величину выходного напряжения, время его установления и вычислите скорость нараста- ния выходного напряжения в В/мкс. Запишите результат в раздел "Результаты экспериментов". 3.3 Результаты экспериментов Эксперимент 1. Измерение входных токов. Ток неинвертирующего входа измерение Ток инвертирующего входа измерение Средний входной ток измерение Разность входных токов ОУ расчет Эксперимент 2. Измерение напряжения смещения. Выходное напряжение усилителя измерение Коэффициент усиления схемы расчет Напряжение смещения расчет Эксперимент 3. Измерение входного и выходного сопротивлений ОУ. а) Входной ток IВХ , мкА до переключения ключа измерение Входной ток IВХ , мкА после переключения ключа измерение Изменение входного напряжения, мВ расчет Изменение входного тока, мкА расчет Входное дифференциальное сопротивление ОУ, Ом расчет б) Выходное напряжение UВЫХ , В измерение Выходное сопротивление ОУ измерение Эксперимент 4. Измерение времени нарастания выходного напряжения Выходное напряжение UВЫХ измерение Время установления выходного напряжения измерение Скорость нарастания выходного напряжения ОУ расчет 6.4 Контрольные вопросы 1. К какому классу усилителей относится операционный усилитель? 2. Каковы основные требования к электрическим параметрам ОУ? 3. Приведите условно-графические изображения ОУ в электронных схе- мах, дайте характеристику внешних выводов. 4. Каким соотношением выходное напряжение связано с входными на- пряжениями ОУ? Что такое дифференциальный входной сигнал? 5. Что используют в качестве источника питания ОУ? 6. Приведите структурную схему ОУ, объясните назначение всех каскадов. 7. Что представляют собой передаточные характеристики ОУ? 8. Перечислите основные параметры операционного усилителя. 9. Что такое напряжение смещения? Как его вычислить? 10. Сравните между собой величины входного и выходного сопротивлений ОУ? 11. В чем причина возникновения входных токов ОУ и разности входных токов? К чему они приводят при работе схем на ОУ? Лабораторная работа №4. Исследование на Workbench неинвертирующих и инвертирующих усилителей Цель: 1. Измерение коэффициента усиления неинвертирующего усилителя. 2. Определение разности фаз между выходным и входным синусоидальным напряжением ОУ. 3. Исследование влияния коэффициента усиления неинвертирующего усилителя на постоянную составляющую выходного напряжения. 4. Измерение коэффициента усиления инвертирующего усилителя на ОУ. 5. Определение разности фаз между выходным и входным синусоидальным напряжением ОУ. 6. Исследование влияния коэффициента усиления схемы на постоянную составляющую выходного напряжения. 4.1 Краткие теоретические сведения Усилитель, охваченный последовательной ООС по выходному напряже- нию с коэффициентом передачи равным единице, называется повторителем на- пряжения (рисунок 13.1).  Рисунок. 4.1 - Схема повторителя напряжения Свойства такого усилителя подобны свойствам эмиттерного или истоко- вого повторителя и для него выполняется условия uвх= uвых RВХООС= RВХ0(1+ КUОУ) RВЫХООС= RВЫХ0(1+КUОУ), что хорошо согласуется со свойствами ОУ. Действительно, напряжение, приложенное между входами ОУ, передается на выход с коэффициентом усиле- ния Кuоу , т.е. при любом выходном напряжении ∆uвх = ∆uвхИ - ∆uвхН = ∆uвых/ Кuoу в случае Кuоу →∞ получим ∆uвх → 0 и uвхН = uвых . Появление любого входного напряжения сразу приводит к появлению раз- ности uвхИ - uвхН = uвых - uвхН . Эта разность, передаваясь на выход ОУ, изменяет его выходное напряжение так, чтобы скомпенсировать возникшее отклонение и восстановить условия, указанные выше. Учитывая, что собственное входное сопротивление ОУ стремится к беско- нечности, а выходное сопротивление стремится к нулю, можно сказать, что рас- смотренная схема подобно эмиттерному или истоковому повторителю находит практическое применение в качестве буферных или согласующих элементов. Неинвертирующий усилитель. Схема повторителя, приведенная на ри- сунке 4.1, не инвертировала входной сигнал, но и не усиливала его. Это объяс- няется тем, что коэффициент передачи отрицательной обратной связи равен единице. Для получения коэффициента передачи усилителя, превышающего единицу в схеме необходимо обеспечить коэффициент обратной связи bос < 1. Для этого в цепь ООС вводят делитель напряжения так, как показано на рисунке 4.2. Эта схема представляет собой неинвертирующий усилитель. Коэффициент передачи делителя в цепи ООС определяется из выражения bОС = R1/(RОС–R1) Тогда коэффициент усиления ОУ, охваченного отрицательной обратной связью КUООС= КUОУ /(1+ КUОУbОС)= КUОУ/[1+R1КUОУ/(RОС–R1)]  Рисунок 4.2 - Схема неинвертирующего усилителя С учетом Кuoy → ∞ окончательно получим Кuooc = (Roc- R1)/ R1=1+Roc/ R1=1/boc . Из полученного выражения можно сделать следующие выводы: - коэффициент передачи (усиления) неинвертирующего усилителя обратно пропорционален коэффициенту передачи цепи ООС; - при любых сопротивлениях резисторов в цепи ООС коэффициент передачи неинвертирующего усилителя не может быть меньше единицы. Последний вывод непосредственно вытекает из свойств ОУ. Для исследования неинвертирующего усилителя применяют схему, приве-  денную на рисунке 4.3. Рисунок 4.3 – Схема исследования неинвертирующего ОУ Коэффициент усиления схемы неинвертирующего усилителя на ОУ вы- числяется по формуле: КУ= 1+R1/R2 Постоянная составляющая выходного напряжения усилителя U0ВЫХ определяется произведением напряжения смещения UСМ на коэффициент усиления схемы КУ: U0ВЫХ= UСМКУ Инвертирующий усилитель. В схемах повторителя и неинвертирующего усилителя сигнал uООС и uВХНподавались на различные входы ОУ. Для получе- ния инвертирующего усилителя входной сигнал и сигнал обратной связи должны подаваться на один и тот же инвертирующий вход, т.е. цепь отрицательной об- ратной связи превращается из последовательной в параллельную. Типовая схема инвертирующего усилителя приведена на рисунке 13.4.  Рисунок 4.4 - Схема инвертирующего усилителя Неинвертирующий вход связывается с общей точкой входа и выхода схемы (заземляется). Входной сигнал подается через резистор R1, на инвертирующий вход ОУ. Показатели схемы можно определить, воспользовавшись уравнением токов для узла 1. Если принять RВХОУ= ∞ и входной ток ОУ IВХ=0, то IВХ=IОС, откуда (UВХ–UО)/R1= - (UВЫХ- Uо)/Rос При КUОУ ∞ напряжение на входе ОУ Uо=UВЫХ /КUОУ 0, в связи с чем получим UВХ/R1= - UВЫХ/ Rос Следовательно, коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя с отрицательной параллельной обратной связью КUИ = UВЫХ / UВХ оп- ределяется параметрами только пассивной части схемы КU И= - Rос /R1 Выбор Rос = R1, когда КU И = -1, придает схеме на рисунке 4.4 свойство инвертирующего повторителя напряжения (инвертора сигнала). Изменение коэффициента передачи усилителя до величины, меньшей единицы, достигается за счет действия входного делителя. Действительно, в предельном случае, когда Rос = 0, коэффициент передачи цепи отрицательной обратной связи bос = 1 и собственный коэффициент передачи сигнала со входа ОУ равен единице. В этом случае выполняется условие uвхИ = uвых . Однако коэффициент передачи делителя, обеспечивающего необходимый входной сигнал ОУ, снижается до нуля. Вследствие этого суммарный коэффициент передачи всего ОУ также снижается до нуля. Для инвертирующего усилителя фазы входного и выходного напряжений сдвинуты относительно друг друга на 180о. Для исследования инвертирующего усилителя применяют схему, приве- денную на рисунке 4.5.  Рисунок 4.5 – Схема исследования инвертирующего ОУ Коэффициент усиления инвертирующего усилителя на ОУ вычисляется по формуле: КУ= - Rf/R1 Знак "минус" в формуле означает, что выходное напряжение инверти- рующего усилителя находится в противофазе с входным напряжением. Посто- янная составляющая выходного напряжения U0ВЫХ усилителя зависит от коэф- фициента усиления КУ схемы и напряжения смещения Uсм и вычисляется по формуле: U0ВЫХ= UСМКУ . 4.2 Порядок проведения экспериментов Эксперимент 1. Работа неинвертирующего усилителя в режиме усиления синусоидального напряжения. Постройте схему по рисунку 4.3. Рассчитайте коэффициент усиления напряжения КУ усилителя по заданным значениям параметров компонентов схемы. Включите схему. Измерьте амплитуды входного Uвх и выходного Uвых синусоидальных напряжений. Измерьте постоянную составляющую выходного напряжения Uовых и разность фаз между входным и выходным напряжениями. По результатам измерений вычислите коэффициент усиления по напряжению КУ усилителя. Результаты занесите в раздел "Результаты экспериментов". Используя значение напряжения смещения Uсм, вычисленное в эксперименте 2 работы 6, и вычисленное теоретическое значение коэффициента усиления, вычислите постоянную составляющую выходного напряжения Uовых . Результаты расчета занесите в раздел "Результаты экспериментов". Эксперимент 2. Исследование влияния параметров схемы на режим еѐ работы. В схеме, приведенной на рисунке 4.3, уменьшите значение сопротивления R1 с 100кОм до 10кОм, амплитуду синусоидального напряжения генератора увеличьте до 100 мВ. Установите масштаб напряжения на входе А осциллографа 100 mV/div, а на канале В - 500 mV/div. Включите схему. Повторите все операции эксперимента 1 при новых параметрах компонентов. Результаты занесите в раздел "Результаты экспериментов". Эксперимент 3. Работа инвертирующего усилителя в режиме усиления синусоидального напряжения. Постройте схему по рисунку 4.5. Повторите эксперимент 1 для этой схемы. Результаты вычислений занесите в раздел "Результаты экспериментов". Эксперимент 4. Исследование влияния параметров схемы на режим ее работы. Установите значение сопротивления R1 равным 10 кОм, амплитуду сину- соидального напряжения генератора - 100 мВ. Установите масштаб напряжения на входе А осциллографа 100 mV/del, а на канале В - 500 mV/del. Включите схе- му. Для новых параметров схемы повторите все измерения и вычисления экс- перимента 3. Результаты занесите в раздел "Результаты экспериментов". 4.3 Результаты экспериментов Эксперимент 1. Работа неинвертирующего усилителя в режиме усиления синусоидального напряжения. Коэффициент усиления Курасчет расчетпорезультатамизмерений Амплитуда входного напряжения Uвх измерение Амплитуда выходного напряжения Uвых измерение Постоянная составляющая выходного напряжения Uовых расчет расчет по результатам измерений Разность фаз между входным и выходным напряжениями измерение. Эксперимент 2. Исследование влияния параметров схемы на режим еѐ работы. Коэффициент усиления КУ расчет расчетпорезультатамизмерений Амплитуда входного напряжения UВХ измерение Амплитуда выходного напряжения UВЫХ измерение Постоянная составляющая выходного напряжения U0ВЫХ. расчет расчетпорезультатамизмерений Разность фаз между входным и выходным напряжениями измерение Эксперимент 3. Работа инвертирующего усилителя в режиме усиления синусоидального напряжения. Коэффициент усиления КУ расчет расчетпорезультатамизмерений Амплитуда входного напряжения UВХ измерение Амплитуда выходного напряжения UВЫХ измерение Постоянная составляющая выходного напряжения U0ВЫХ. расчет расчетпорезультатамизмерений Разность фаз между входным и выходным напряжениями измерение Эксперимент 4. Исследование влияния параметров схемы на режим еѐ работы. Коэффициент усиления КУ расчет расчетпорезультатамизмерений Амплитуда входного напряжения UВХ измерение Амплитуда выходного напряжения UВЫХ измерение Постоянная составляющая выходного напряжения U0ВЫХ. расчет расчетпорезультатамизмерений Разность фаз между входным и выходным напряжениями измерение 4.4 Контрольные вопросы 1. Приведите схему неинвертирующего ОУ, объясните принцип ее работы. Какую роль в схеме играет делитель напряжения? 2. От чего зависит коэффициент усиления неинвертирующего усилителя? 3. Приведите схему повторителя напряжения. Объясните принцип ее ра- боты. 4. Оцените различия между измеренной и вычисленной постоянной со- ставляющей выходного напряжения. 5. Приведите схему инвертирующего ОУ, объясните принцип ее работы. 6. Какие параметры схемы на рисунке 13.5 влияют на ее коэффициент уси- ления? 7. Как достигается изменение коэффициента передачи усилителя? Лабораторная работа №5 Исследование компараторов Цель 1. Исследование схем детекторов нулевого уровня. 2. Исследование схем детекторов ненулевого уровня. 3. Исследование характеристик компаратора с различным опорным на- пряжением. 4. Исследование характеристик триггера Шмидта. 5.1 Краткие теоретические сведения Функциональное назначение компаратора заключается в изменении со- стояния выхода при переходе входным напряжением некоторого порогового значения. В качестве компаратора может применяться ОУ. При этом ОУ рабо- тает преимущественно в области положительного или отрицательного ограни- чения выходного напряжения, проходя область усилительного режима только вблизи порога. В данной работе исследуются основные схемы компараторов, построен- ных на базе операционных усилителей. На рисунках 5.1 и 5.2 приведены схемы и виды характеристик детекторов нулевого уровня, имеющих близкое к нулю пороговое напряжение. Схемы различаются способом подачи входного сигнала на вход ОУ. Использование разных входов ОУ для подачи входного сигнала позволяет реализовать фиксацию уровня входного напряжения положительным или отрицательным перепадом напряжения на выходе компаратора.  Рисунок 5.1 – Схема детектора нулевого уровня с подачей сигнала на неинвертирующий вход ОУ  Рисунок 5.2 – Схема детектора нулевого уровня с подачей сигнала на инвертирующий вход ОУ На рисунках приводится вид характеристики "выход-вход". По верти- кальной оси откладывается выходное напряжение, по горизонтальной оси - входное. Наклон характеристик вызван конечной скоростью нарастания выход- ного напряжения. На рисунках 5.3 и 5.4 приведены схемы и виды характеристик детекторов положительного и отрицательного уровней входного напряжения. Пороговый уровень входного напряжения в этих схемах задается величиной напряжения смещения, подаваемого на инвертирующий вход ОУ.   Рисунок 5.3 – Схема компаратора с положительным опорным напряжением  Рисунок 5.4 – Схема компаратора с отрицательным опорным напряжением Напряжение смещения может задаваться стабилитроном, как показано на рисунке 5.5.  Рисунок 5.5 – Схема компаратора с опорным напряжением, задаваемым стабилитроном  Максимальное и минимальное значение выходного напряжения может задаваться при помощи внешних элементов. На рисунке 14.6 приведена схема детектора нулевого напряжения с фиксацией уровня выходного напряжения при помощи стабилитрона. Рисунок 5.6 – Схема компаратора с фиксацией уровня выходного напряжения при помощи стабилитрона.  Компаратор, показанный на рисунке 5.7, позволяет фиксировать наличие входного напряжения в определенном диапазоне значений. Если входное напряжение изменяется в пределах пороговых значений, устанавливаемых внешними элементами, то выходное напряжение имеет низкий уровень. При выходе за установленные пределы пороговых значений выходное напряжение изменяется на высокий уровень. Рисунок 5.7 – Схема компаратора с фиксированной зоной входного напряжения При работе с компараторами могут возникнуть неприятности, проявляю- щиеся в том, что вместо однократного изменения уровня выходного напряжения при достижении входным напряжением порогового значения, могут иметь место быстрые колебания между уровнями выходного напряжения, особенно в том случае, когда во входном сигнале присутствует значительный шум. При таком явлении может нарушиться нормальное функционирование некоторых типов схем. Можно избежать этого, если характеристика компаратора имеет гистерезис. Одной из схем такого рода является триггер Шмитта. Схема и еѐ характеристика представлена на рисунке 5.8.  Рисунок 5.8 – Схема триггера Шмидта Для идеального ОУ, имеющего одинаковые напряжения ограничения, по- ложительное значение входного порогового напряжения может быть вычислено по формуле: U1=ER2/(R1+R2) Отрицательное значение входного порогового напряжения определяется выражением: U2=-ER2/(R1+R2)=-U1 где Е - напряжение ограничения ОУ. Для всех рассмотренных схем анализ их работы можно осуществить по двум характеристикам. Первая из них представляет собой характеристику вход-выход и устанавливает соотношения между входным и выходным напряжением схемы в статическом режиме. Для наблюдения такой характеристики на экране осциллографа необходимо сигнал с канала, подключенного к выходу схемы, откладывать по вертикальной оси, а сигнал с канала, подключенного к входу схемы, - по горизонтальной оси, на вход схемы подается синусоидальное напряжение. Динамику переключения выходного напряжения схемы можно проследить по осциллограммам входного и выходного напряжения. При снятии этой характеристики на вход схемы по- дается синусоидальное напряжение и двухлучевым осциллографом фиксирует- ся входное и выходное напряжение. |