Микропроцессорные средства электромеханики

ФГБОУ ВПО

АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра электрооборудование и автоматика судов

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОМЕХАНИКИ

Методические указания к лабораторному практикуму для бакалавров высших учебных заведений очного и заочного обучения направления подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»

Астрахань 2015 г.

Лабораторная работа №1

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СХЕМ С ОПЕРАЦИОННЫМ

УСИЛИТЕЛЕМ

Общие сведения

Операционный усилитель (ОУ) - это многокаскадный усилитель с дифференциальным входом, предназначенный для выполнения различных операций с аналоговыми (непрерывными) и импульсными электрическими сигналами при работе с обратными связями. Наиболее распространены интегральные полупроводниковые ОУ, обладающие наименьшими габари­тами и массой, способные работать в диапазоне температур 60...125°С и имеющие коэффициент усиления до 106 и более при усиле­нии сигналов о частотой от нуля до единиц мегагерц.

На рис.1,а приведено условное обозначение операционного усилителя. ОУ имеет два входа и один выход. Вход, напряжение на котором сдвинуто по фазе на 180° относительно выходного напряже­ния, называется инвертирующим и обозначается кружком. Второй вход неинвертирующий. т. к. напряжение на нем и на выходе ОУ совпадают по фазе. Выводы, к которым подключаются источники питающего напря­жения, обозначаются +Un и -Un. В усилителе могут быть также и спе­циальные выводы для подключения внешних элементов установки нуля (NС) и частотной коррекции (FC).

 

Рис.1

Важнейшей характеристикой ОУ является амплитудная (передаточ­ная) характеристика, представляющая собой зависимость выходного напряжения от напряжения на входе при нулевой частоте. На рис.1,б представлена типовая амплитудная характеристика ОУ. Кривая 1 соответствует подаче напряжения на инвертирующий вход, кривая 2 - на неинвертирующий вход. Наклон линейного участка ха­рактеристик определяет коэффициент усиления ОУ по напряжению . Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму насы­щения ОУ, при котором входное напряжение выходит за пределы линей­ного участка амплитудной характеристики. Значения выходного напря­жения ОУ в режиме насыщения обычно на 1-2 В меньше напря­жения питания.

Напряжение смещения ОУ определяется входным напряжением, при котором выходное напряжение равно нулю. Напряжение смещения возникает вследствие разброса параметров внутренних элементов ОУ и может составлять 0,1...50 мВ. Для устранения напряжения смещения (установки нуля) ОУ в схему его включения вводят специальные элект­рические цепи.

Усиление сигналов различных частот определяется амплитудно-частотной характеристикой ОУ (рис.1,в). Как видно из рисунка, с ростом частоты входного сигнала коэффициент усиления ОУ па­дает. Частота, при которой происходит снижение в раза (3 дБ), называется частотой среза , а частота, при которой =1, -частотой единичного усиления. Вид передаточной и амплитудно-частотной характеристик в конкретных схемах включения ОУ зависит от цепей обратной связи и частотной коррекции.

Для упрощения расчетов устройств с ОУ обычно используют поня­тие идеального ОУ, у которого:

- коэффициент усиления стремится к бесконечности в бесконечно широкой полосе частот;

- входное дифференциальное сопротивление стремится к беско­нечности;

- выходное сопротивление стремится к нулю;

- выходное напряжение равно нулю при нулевом входном напряже­нии.

На практике ни одно из этих свойств не может быть реализова­но полностью, однако к ним можно приблизиться с достаточной точ­ностью.

Идеальный ОУ работает так, что на его выходе устанавливается напряжение, при котором разность напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах за счет внешних цепей отрицательной обратной связи (за исключением схем компараторов) равна нулю.

Электрические параметры исследуемых в работе типов ОУ указа­ны на стенде.

Задание

1. Ознакомиться со свойствами, электрическими параметрами и схемами включения ОУ. Запишите паспортные данные исследуемого ти­па ОУ.

2. Ознакомиться с лабораторным стендом и измерительными при­борами.

3. Собрать схему инвертирующего или неинвертирующего усили­теля с коэффициентом усиления по напряжению и провести следующие исследования:

а) снять амплитудную характеристику усилителя и определить напряжение смещения;

б) снять амплитудно-частотную характеристику усилителя и определить частоту среза;

в) компенсировать напряжение смещения ОУ.

4. Собрать схему сумматора на ОУ и исследовать его работу.

5. Собрать схему дифференциального усилителя и исследовать его работу.

6. Собрать схему интегратора на ОУ и исследовать его работу.

7. Собрать схему компаратора на ОУ и исследовать его работу.

Указания к выполнению работы

Лабораторный стенд для исследования схем с операционными усилителями содержит: два стабилизированных источника питания; блок регулируемых делителей напряжения для подачи постоянных на­пряжений на входы исследуемых схем с пределами регулирования и ; три вольтметра для измерения постоянных напряжений на входах и выходах исследуемых схем с пределами измерений I, 10 и 20 В; генератор синусоидального и прямоугольного напряжения; электронный осциллограф; милливольтметр; съемную макетную плату с размещенными на ней операционными усилителями и радиоэлементами.

Схема инвертирующего усилителя показана на рис.2. Вы­ходной и входной сигналы такого усилителя сдвинуты по фазе на 180°. Входное напряжение по­дается на инвертирующий вход че­рез резистор . С помощью ре­зистора осуществляется отри­цательная обратная связь по на­пряжению, неинвертирующий вход усилителя при этом заземляется через резистор .

Рис.2

Коэффициент усиления инвер­тирующего усилителя . Знак “-“ означает, что входное и выходное напряжения находятся в противофазе. Входное сопротивление такого усилите­ля . Для устранения различия сопротивлений во входных цепях в цепь неинвертирующего входа включают резистор .

Если на вход инвертирующего усилителя подать некоторое напря­жение, например положительной полярности , то дифференциальное (разностное) напряжение между входными выводами ОУ станет поло­жительным и выходной потенциал начнет снижаться, поскольку входное напряжение подано на инвертирующий вход. Выходное напряжение будет меняться в отрицательном направлении до тех пор, пока напряжение на инвертирующем входе ОУ (точка А на рис.2) не станет почти нулевым . Таким образом, резисторы и образуют делитель напряжения между выходом и входом усилителя и отношение равно отношению . Точку А называют потенциально заземленной, т. к. ее потенциал почти равен потенциалу земли.

Если входной сигнал подать на неинвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий вход с помощью цепи обратной связи подать часть выходного напряжения, получится неинвертирующий усилитель рис.3.

 

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя , а входное сопротивление очень велико. Обычно для усилителей очень большое входное сопротивление нежелательно, т. к. при этом они ока­зываются весьма чувствительными к изменениям входного тока флуктуационного происхождения. Поэтому неинвертирующий вход ОУ соединяют с землей через резистор , который и определяет входное сопротив­ление неинвертирующего усилителя.

При исследовании характеристик инвертирующего или неинверти­рующего усилителей для заданного значения входного сопротивленияК и коэффициента усиления =10 рассчитайте значения со­противлений резистора обратной связии. Соберите схему уси­лителя.

Для снятия амплитудной характеристики на вход усилителя подается плавно изменяемое от -1,5 до +1,5 В постоянное напряжение. Выходное напряжение усилителя измеряют с помощью вольтметра, в отчете отроят полученную характеристику, определяют напряжение смещения и коэффициент усиления .

Для снятия амплитудно-частотной характеристики на вход усили­теля от генератора синусоидального напряжения подается сигнал ам­плитудой 0,1 В. К выходу усилителя подключается осциллограф. Изме­няя частоту входного сигнала, с помощью осциллографа определите соответствующее изменение амплитуды выходного напряжения. Получен­ную характеристику постройте в отчете и определите частоту сре­за .

Настройку нуля ОУ (компенсацию напряжения смещения ) про­изводят с помощью внешних элементов по вольтметру, включенному на выходе усилителя. Схемы подключения элементов установки нуля для исследуемых типов 0У показаны на стенде.

Если на инвертирующий вход 0У через резисторыподать напряжениям , выходное напряжение такого усили­теля будет равно сумме входных напряжений, умноженных на соответ­ствующий масштабный коэффициент:

т. е. получается схема сумматора на 0У. Схема сумматора для двух сигналов показана на рис.4.

При исследовании работы сумматора для заданного значения со­противления резистора =100 К рассчитайте значения сопротивле­ний резисторов и , чтобы в схеме реализовывалось сложение двух напряжений и с масштабными коэффициентами соответст­венно =10 и =1.

Соберите схему сумматора. Убедитесь, что напряжение смещения скомпенсировано. Вычислите и измерьте выходное напряжение усилите­ля при различных значениях входных напряжений. Результаты занесите в таблицу.

Параметр	Uвх1=+0,1В Uвх2=+2В	Uвх1=-0,1В Uвх2=-2В	Uвх1=-0,2В Uвх2=+5В	Uвх1=+0,2В Uвх2=-5В
Uвых. рас.
Uвых. изм.

Проведите анализ полученных результатов.

Для измерения малых разностей двух напряжений на фоне синфазного напряжения помехи используется схема дифференциального уси­лителя, которая усиливает дифференциальный (разностный) сигнал и подавляет синфазное напряжение, действующее одновре­менно на обоих входах. Схема дифференциального усилителя показана на рис. 5.

 

Выходное напряжение усилителя при и Rос1=Rос2 -

Соберите схему дифференциального усилителя. Убедитесь, что напряжение смещения скомпенсировано. Вычислите и измерьте выходное напряжение усилителя при различных значениях входных напряжений. Результаты занесите в таблицу.

Параметр	Uвх1=+0,1В Uвх2=-0,1В	Uвх1=+0,5В Uвх2=+0,3В	Uвх1=+1В Uвх2=+1В	Uвх1=-1В Uвх2=-1В
Uвых. рас.
Uвых. изм.

Проведите анализ полученных результатов.

Если в инвертирующем усилителе резистор заменить кон­денсатором , получится интегрирующий усилитель рис.6. Выходное напряже­ние интегрирующего усилителя -

Соберите схему интегратора на ОУ. Убедитесь, что напряжение смещения скомпенсировано. На вход интегратора от генератора прямо­угольного напряжения подайте сигнал амплитудой 0,5 В и частотой I кГц. Снимите осциллограмму выходного напряжения интегратора.

Частоту входного сигнала уменьшите до 200 Гц. Снимите осцилло­грамму выходного напряжения, сравните полученные осциллограммы и объясните их различие.

Если в схеме операционного усилителя разомкнуть цепь отрицательной обратной связи получится компаратор напряжения. В схеме компаратора операционный усилитель работает в режиме насыщения. Его выходное напряжение –

Uвых = +Uнас при Uпр > Uинв и

Uвых = - Uнас при Uинв > Uпр.

Разомкните цепь обратной связи в схеме интегратора. На вход, получившегося компаратора, от генератора синусоидального напряжения подайте сигнал амплитудой 0,5 В и частотой I кГц. Снимите осциллограмму выходного напряжения компаратора.

Частоту входного сигнала уменьшите до 200 Гц. Снимите осцилло­грамму выходного напряжения, сравните полученные осциллограммы и объясните их различие.