Лабораторная работа №1

Лабораторная работа №1

ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ И ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ИНВЕРТИРУЮЩИХ И НЕИНВЕРТИРУЮЩИХ СХЕМ ИХ ВКЛЮЧЕНИЯ

Цель работы: ознакомиться с характеристиками и параметрами, по которым оценивают частотные свойства ОУ.

Задание 1: Изучите оборудование лабораторного стенда.

Описание лабораторного стенда

Каждый измерительный стенд представляет собой комплекс, состоящий из персонального компьютера, универсальных осциллографа и генератора, подключенных к компьютеру через параллельный порт и лабораторного модуля (см. приложения 1 и 2), в котором реализованы основные схемы включения операционного усилителя в виде законченных узлов.

На плате лабораторного модуля находятся несколько регулировочных элементов, позволяющих изменять характеристики узлов и несколько переключателей, позволяющих изменять конфигурацию узла. Схема лабораторного модуля приведена в приложении 2.

В состав модуля входят:

1.  Узел инвертирующего усилителя с двумя входами (контакты 1 и 2) на схеме, позволяющими использовать узел в качестве инвертирующего сумматора, и выходом на контакте 3. Коэффициент усиления схемы регулируется потенциометром R3. Кроме того, потенциал неинвертирующего входа ОУ можно регулировать с помощью потенциометра R4 или зафиксировать на уровне потенциала земли (с помощью переключателя J1).

2.  Узел неинвертирующего усилителя с одним входом (контакт 4) и выходом (контакт 5). Коэффициент усиления этой схемы определяется потенциометром R6.

3.  Узел интегратора. Вход интегратора находится на контакте 6, а выход на контакте 8 лабораторного модуля.

4.  Узел дифференциатора. Вход дифференциатора находится на контакте 9, выход на контакте 10.

5.  Узел, имитирующий работу компаратора с выходом с открытым коллектором. Благодаря наличию петли гистерезиса (резисторы R10 и R12) подходит для изучения работы триггера Шмитта. Неинвертирующий вход схемы выведен на контакт 11, инвертирующий ― на контакт 12. С помощью переключателя J2 можно подключить инвертирующий вход компаратора к постоянному смещению, величина которого задается потенциометром R9. Собственно выходом компаратора является контакт 13. Контакты 14 и 15 необходимы для использования в качестве выхода схемы транзистора с открытым коллектором (VT1). Кроме того, с помощью открытого коллектора осуществляется сопряжение аналогового стенда с микропроцессорным модулем, изучаемым в курсе «Микропроцессорные системы».

6.  Узел фильтра высоких частот второго порядка. Контакты 17 и 18.

7.  Узел фильтра низких частот второго порядка. Контакты 19 и 20.

Кроме того, в модуле реализованы также узлы логарифмического и антилогарифмического усилителя, которые не вошли в программу данного лабораторного практикума.

Результаты измерений контролируются с помщью осциллографа PCS 500 (рис. 1) и генератор PGS 10/8016 (рис. 2). Оба этих устройства подключаются через парллельный порт к персональному компьютеру и работают под управлением ПО PCLab 2000. Устройства позволяют одновременную работу в реальном масштабе времени. Генератор сигналов позволяет получать на выходе сигналы синусоидальной и прямоугольной форм в диапазоне от 0.5 Гц до 1МГц, а также сигналы более сложной формы, из библиотек, а также сформированных пользователем. Размах напряжения на выходе можно регулировать.

Рис.1.1: Цифровой осциллограф PCS 500

Цифровой запоминающий осциллограф PCS500, позволяет увидеть на мониторе компьютера различные виды измеряемых сигналов. Данный прибор действует как обычный осциллограф, позволяя при этом выполнять большинство операций при помощи мыши. Маркеры, указывающие напряжение и частоту, также значительно упрощают работу прибора и могут быть также использованы при помощи мыши. Кроме того, прибор может быть использован в качестве анализатора спектра, а также для воспроизведения переходных сигналов, для записи вариаций напряжения или сравнения двух напряжений в течение более длительного периода. Основные характеристики устройства приведены в приложении 3.

Функциональный генератор PCG10/8016 предназначен для использования совместно с компьютером и генерации сигналов произвольной формы, создания и редактирования требуемой формы сигнала, анализа частотной характеристики. Основные характеристики устройства приведены в приложении 4. Отличительная особенность генератора – его совместимость с осциллографами Velleman PCS500 для создания измерительного комплекса с расширенными возможностями отображения данных на дисплее.

Рис. 1.2: Генератор PGS 10/8016

Порядок выполнения

1.  Подключите внешний осциллограф к выходу генератора. В программе генератора выберите синусоидальную форму колебаний и частоту 120Гц. Проконтролируйте наличие сигнала осциллографом. Убедитесь в неизменности амплитуды сигнала на выходе, сменив частоту на 10кГц. Проконтролируйте изменение частоты.

2.  Смените синусоидальную форму сигнала на прямоугольную. С помощью осциллографа убедитесь в том, что это действительно произошло.

3.  Измените амплитуду сигнала на выходе.

4.  Загрузите форму сигнала из числа встроенных библиотечных функций. С помощью регуляторов, попробуйте изменить период и размах выходного сигнала.

5.  Создайте свою форму выходного сигнала и зарегистрируйте ее в библиотеке форм.

6.  Установите на выходе синусоидальный сигнал, амплитудой 5В и частотой 1кГц.

7.  Отключите внешний осциллограф и подключите PCS 500. Запустите программу PCScope. Включите первый канал осциллографа и выберите значение входного аттенюатора 1В/дел. В установке периода установите значение 1мсек/дел. Измерительный щуп осциллографа переключите на позицию 1:1. Подайте на вход осциллографа сигнал с генератора.

8.  Включите непрерывный режим измерения осциллографа и синхронизацию. Остановите бегущее изображение на экране компьютера, изменяя уровень синхронизации. Изменяя значение аттенюатора и периода измерений, установите наиболее удобное разрешение экрана осциллографа. Зафиксируйте изображение.

9.  Изучите режим однократного измерения.

10.  Включите второй канал и освойте работу с двумя каналами.

11.  Перейдите в режим анализатора спектра и освойте работу осциллографа в этом режиме.

Задание 2: Изучите работу инвертирующей схемы включения операционного усилителя.

Принцип действия инвертирующей схемы включения ОУ

Познакомимся с важнейшими правилами, которые определяют поведение операционного усилителя, охваченного петлей обратной связи. Они справедливы почти для всех случаев жизни.

Во-первых, операционный усилитель обладает таким большим коэффициентом усиления по напряжению, что изменение напряжения между входами на несколько долей милливольта вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона, а сформулируем правило 1:

1.  Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю.

Во-вторых, операционный усилитель потребляет очень небольшой входной ток, сформулируем правило 2:

2.  Входы операционного усилителя ток не потребляют.

Правило 1 не означает, что операционный усилитель действительно изменяет напряжение на своих входах. Это невозможно. (Это было бы несовместимо с правилом 2.) Операционный усилитель «оценивает» состояние входов и с помощью внешней схемы ОС передает напряжение с выхода на вход, так что в результате разность напряжений между входами становится равной нулю (если это возможно).

Рисунок 1.3

Рассмотрим схему на рис. 3. Проанализируем ее, с помощью сформулированных выше правил:

Согласно первому правилу потенциал точки В равен потенциалу земли, следовательно, потенциал точки А также равен потенциалу земли.

Это означает:

а) Падение напряжения на резисторе R2 равно Uвых.

б) Падение напряжения на резисторе R1 равно Uвх.

Воспользовавшись вторым правилом, получим коэффициент усиления по напряжению:

Для того чтобы понять, как работает обратная связь, предста­вим себе, что на вход подан неко­торый уровень напряжения, ска­жем 1В. Для конкретизации допустим, что резистор R1 имеет сопро­тивление 10 кОм, а резистор R2 — 100 кОм. Теперь представим себе, что напряжение на выходе решило выйти из повиновения и стало равно 0 В. Что произойдет? Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряже­ния, с помощью которого потенциал инвертирующего входа поддер­живается равным 0,91 В. Операционный усилитель фиксирует рас­согласование по входам, и напряжение на его выходе начинает умень­шаться. Изменение продолжается до тех пор, пока выходное напряже­ние не достигнет значения —10 В, в этот момент потенциалы входов ОУ станут одинаковыми и равными потенциалу земли. Аналогично если. напряжение на выходе начнет уменьшаться и дальше и станет более отрицательным, чем —10 В, то потенциал на инвертирующем входе станет ниже потенциала земли, в результате выходное напряжение начнет расти.

Как определить входной импеданс рассматриваемой схемы? Ока­зывается, просто. Потенциал точки А всегда равен 0 В (так называемое мнимое заземление, или квазинуль сигнала). Следовательно, Zвх=R1.

Следует отметить, что схема представляет собой усилитель постоянного тока. Поэтому, если источник сигнала смещен относительно земли (источником является, например, коллектор предыдущего каскада).

Рисунок 1.4

Схема, которую мы рассматриваем, называется инвертирующим усилителем. Недостаток этой схемы состоит в том, что она обладает малым входным импедансом, особенно для усилителей с большим коэффициентом усиления по напряжению (при замкнутой цепи ОС), в которых резистор как правило, бывает небольшим. Этот недостаток устраняет схема, представленная на рис. 4.

Порядок выполнения

1.  Изучить теоретические сведения о инвертирующей схеме включения операционного усилителя.

2.  Для трех положений регулятора R6 снять АЧХ в диапазоне от 40 Гц до 100кГц гармонического сигнала. В ходе измерений амплитуда сигнала на входе и выходе должна контролироваться с помощью двухлучевого осциллографа. На частоте 100Гц получите величину коэффициента усиления схемы для каждого положения регулятора R6.

3.  В процессе выполнения лабораторной работы отследите опережение (отставание) входного сигнала от выходного и постарайтесь снять ФЧХ для каждого положения регулятора R6.

4.  Получите качественную зависимость фазочастотных свойств схемы от частоты входного сигнала.

5.  Получите зависимость шумов от коэффициента усиления схемы и постарайтесь объяснить природу шумов.

Задание 2: Изучение работы неинвертирующей схемы включения операционного усилителя.

Принцип действия неинвертирующей схемы включения ОУ

Рассмотрим схему на рис. 4. Проанализируем ее: . Напряжение снимается с делителя напряжения: . Если , то коэффициент усиления . Входной импеданс усилителя бесконечен. Выходной импеданс равен долям ома.

Эта схема также представляет собой усилитель постоянного тока. Если источник сигнала и усилитель связаны между собой по переменному току, то для входного тока (очень небольшого по величине) нужно предусмотреть заземление, как показано на рис. 5. Для представленных на схеме величин компонентов коэффициент усиления по напряжению равен 10, а точке —3 дБ соответствует частота 16 Гц.

Рисунок 1.5

Рисунок 1.6

Если усиливаются только сигналы переменного тока, то можно уменьшить коэффициент усиления для сигналов постоянного тока до единицы, особенно если усилитель обладает большим коэффициентом усиления по напряжению. Это позволяет уменьшить влияние всегда существующего конечного «приведенного ко входу напряжения сдвига». Для схемы, представленной на рис. 6, точке —3 дБ соответствует частота 17 Гц; на этой частоте импеданс конденсатора равен 2,0 кОм. Обратите внимание, что конденсатор должен быть большим. Если для построения усилителя переменного тока использовать неинвертирующий усилитель с большим усилением, то конденсатор может оказаться чрезмерно большим. В этом случае лучше обойтись без конденсатора и настроить напряжение сдвига так, чтобы оно было равно нулю. Можно воспользоваться другим методом — увеличить сопротивления резисторов и и использовать Т-образную схему делителя.

Порядок выполнения

1.  Повторите исследование описанное в пунктах 1-10 для неинвертирующей схемы включения.

2.  Сравните между собой полученные результаты и постарайтесь объяснить происхождение разницы в результатах.

3.  По результатам проделанной работы составьте отчет.

Содержание отчета

1.  Отчет по лабораторной работе должен содержать:

2.  Название и цель лабораторной работы.

3.  Методика выполнения работы (указываются основные пункты, выполняемые в работе).

4.  Исследуемые схемы включения ОУ.

5.  Расчетные значения параметров схемы.

4.  Анализ полученных результатов и выводы.

Лабораторная работа №2

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИНТЕГРАТОРА И ДИФФЕРЕНЦИАТОРА

Цель работы: ознакомиться с основными характеристиками и параметрами, по которым оценивают работу интегратора и дифференцматора.

Задание: Изучите работу схем интегратора и дифференциатора.

Принцип действия интегратора

На основе операционных усилителей можно строить почти иде­альные интеграторы, на которые не распространяется ограничение .На рис. 2.1 показана такая схема.

Рис. 2.1

Входной ток протекает через конденсатор . В связи с тем что инвертирующий вход имеет потенциальное заземление, выходное напряжение определяется следующим образом:

Безусловно, входным сиг­налом может быть и ток, в этом слу­чае резистор не нужен. Представ­ленной здесь схеме присущ один недостаток, связанный с тем, что выходное напряжение имеет тенден­цию к дрейфу, обусловленную сдви­гами ОУ и током смещения. Это нежелательное явление можно осла­бить, если использовать ОУ на по­левых транзисторах, отрегулировать входное напряжение сдвига ОУ и выбрать большие величины для и . Кроме того, на практике часто прибегают к периодическому сбросу в нуль интегратора с по­мощью подключенного к конденсатору переключателя (обычно на поле­вом транзисторе), поэтому играет роль только кратковременный Дрейф.

Рис.2.2

Если остаточный дрейф по-прежнему слишком велик для конкрет­ного случая использования интегратора, то к конденсатору следует подключить большой резистор , который обеспечит стабильное сме­щение за счет обратной связи по постоянному току. Такое подключение приведет к ослаблению интегрирующих свойств на очень низкой ча­стоте: .

На рис. 2.2 показаны интеграторы, в которых ис­пользованы переключатели для сброса на полевых транзисторах и ре­зистор стабилизации смещения. В схемах такого типа может потребоваться резистор обратной связи с очень большим сопротивлением. На рис. 2.3 показан прием, с помощью которого боль­шое эффективное значение сопротивле­ния обратной связи создается за счет ре­зисторов с относительно небольшими сопротивлениями. Представленная цепь обратной связи работает как один ре­зистор с сопротивлением 10 МОм в стан­дартной схеме инвертирующего усилите­ля с коэффициентом усиления по напря­жению, равным —100.

Достоинство этой схемы состоит в том, что она позволяет использовать удобные сопротивления ре­зисторов и не создает опасности из-за влияния паразитной емкости, которую всегда нужно учитывать при работе с большими резисторами.

Рис. 2.3

Принцип действия дифференциатора

Дифференциаторы подобны интеграторам, в них только меняются местами резистор и конденсатор (рис. 2.4).

Рис. 2.4.

Инвертирующий вход ОУ заземлен, поэтому изменение входного напряжения с некоторой скоростью вызывает появление тока: , а следовательно, и выходного напряжения: .

Дифференциаторы имеют стабилизированное смещение, неприятности создают обычно шумы и нестабильность работы на высоких частотах, что связано с большим усилением ОУ и внутренними фазовыми сдвигами. В связи с этим следует ослаблять дифференцирующие свойства схемы на некоторой максимальной частоте.

Рис. 2.5.

Обычно для этого используют метод, который показан на рис. 2.5. Компоненты и , с помощью которых созда­ется спад, выбирают с учетом уровня шума и ширины полосы пропу­скания ОУ. На высоких частотах благодаря резистору и конденса­тору схема начинает работать как интегратор.

Порядок выполнения

1.  Выбрав схему интегратора, подключите к нему генератор синусоидальных сигналов и получите АЧХ интегратора.

2.  Исследуйте влияние частоты колебаний на амплитуду выходного напряжения.

3.  Замените синусоидальную форму сигнала на прямоугольную и получите АЧХ при прямоугольной форме входного напряжения.

4.  Используя схему инвертирующего сумматора (См. Лаб. Раб. 1), получите на выходе синусоидальный сигнал с постоянной составляющей. Подайте этот сигнал на вход интегратора. Изменяя частоту генерации, получите АЧХ сигналов в этом случае.

5.  Выбрав схему дифференциатора, постройте АЧХ при синусоидальном сигнале на входе.

6.  Получите АЧХ в случае прямоугольных импульсов на входе узла.

7.  Выясните влияние постоянного смещения на форму АЧХ.

8.  Выясните, можно ли последовательно осуществив, интегрирование и дифференцирование, получите на выходе такого устройства входную функцию. Определите, для каких сигналов это возможно.

Содержание отчета

6.  Отчет по лабораторной работе должен содержать:

7.  Название и цель лабораторной работы.

8.  Методика выполнения работы (указываются основные пункты, выполняемые в работе).

9.  Исследуемые схемы включения ОУ.

10.  Расчетные значения параметров схемы.

5.  Анализ полученных результатов и выводы.

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Основные характеристики осциллографа PCS500

v  Входы: 2 канала, 1 внешний вход синхроимпульса;

v  Входной импеданс: 1 Мом/ 30 пФ;

v  АЧХ: +/- 3 дБ: 0 Гц - 50 Гц;

v  Макс. погрешность: 2,5%;

v  Макс. входное напряжение: 100 В (АС + DC) (постоянное + переменное)

v  Связь по постоянному и переменному току: DC, AC и GND (пост., перемен. и земля);

v  Напряжение источника питания: 9-10 В пост. / 1000 мА;

v  Временная развёртка: 20 нс - 100 мс на деление;

v  Запуск: СН1 (канал 1), СН2 (канал 2), EXT (внешний) или автоматический запуск;

v  Уровень срабатывания синхронизации: регулируемый на весь экран;

v  Входная чувствительность: 5 мВ (10 мВ для PCS100 и К80В на деление;

v  Длина записи: 4096 точек на канал;

v  Частота дискретизации: В режиме реального времени *: 1,25 кГц - 50 Мгц;

v  Частота дискретизации: Повторяющийся сигнал*: 1 Ггц (эквивалентная частота дискретизации);

v  Запускающий перепад сигнала: передний или задний фронт;

v  Пошаговые маркеры для напряжения, времени и частоты;

v  Интерполяция: линейная или усредняющая;

v  Вертикальное разрешение: 8 бит;

v  Функция автоматической настройки;

v  Среднеквадратичные значения (только для переменных составляющих).

Приложение 3 (Основные характеристики PCS500)

Основные характеристики функционального генератора PGS 10/8016

v  Частотный диапазон: от 0,01Гц до 1МГц;

v  Кварцевая стабилизация частоты;

v  Оптическая развязка с компьютером;

v  Низкие частотные искажения генерируемого сигнала;

v  TTL - уровень выходного сигнала синхронизации;

v  Возможность запоминания до 32 Кбайт точек генерируемого сигнала ;

v  Стандартные формы генерируемых сигналов: синусоидальный, прямоугольный, треугольный.

v  Наличие библиотеки параметров сигналов, включая: шум, амплитуда и пр.

v  Питание прибора от источника 12 В/800мА;

v  Регулировка частоты с разрешением 0,01%;

v  Амплитудный диапазон выходного сигнала от 10мВ до 10В (действующее значение);

v  Разрешение по амплитуде 0,4% от всей шкалы;

v  Компенсация от 0 до - 5В (или + 5В), разрешение 0,4% от всей шкалы;

v  Максимальная частота выборки 32 МГц;

v  Вертикальное разрешение 8 бит (0,4% от всей шкалы);

v  Типовая величина искажения синусоидального сигнала до 0,08%;

v  Выходное сопротивление ― 50 Ом.