Исследование функциональных узлов на основе

Операционного усилителя

 

Цель работы

Исследование функциональных узлов, выполненных на основе операционного усилителя.

 

Подготовка к работе

2.1 Изучить следующие разделы курса, связанные с применением операционного усилителя и построением функциональных узлов на его основе.

2.1.1 Инвертирующего и неинвертирующего усилителей с заданным

коэффициентом усиления.

2.1.2 Сумматора и вычитателя.

2.1.3 Интегратора и дифференциатора.

2.1.4 Детектора и ограничителя.

2.1.5 Генератора и мультивибратора.

2.1.6 Фильтров: полосовых, нижних и верхних частот.

 2.2 Ответить на контрольные вопросы.

2.2.1 Привести схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителей.  Как влияют элементы схемы на параметры усилителей?

2.2.2 Привести схемы сумматора и вычитателя и пояснить принцип их работы.

2.2.3 Привести схемы интегратора и дифференциатора. Пояснить принцип их работы.

2.2.4 Привести схемы детектора и ограничителя. Пояснить принцип их работы.

2.2.5 Привести схемы генератора и мультивибратора. Пояснить принцип их работы?

2.2.6 Привести схемы фильтров: полосовых, нижних и верхних частот и их АЧХ.

Литература

1 Игнатов А.Н., Калинин С.В., Савиных В.Л. Основы электроники, - СибГУТИ, Новосибирск, 2005, стр. 131-140.

2 Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь. 1990. стр. 388 - 408.

 3 Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Сов. радио. 1979.стр. 148-162, 183-194.

4 Савиных В.Л. Конспект лекций. Электронная версия. СибГУТИ. 2009

Задание к работе в лаборатории

По заданию преподавателя в таблицу 1 записать номер варианта, тип ОУ (приложение А) и его параметры.

Таблица 1

№ варианта	Тип ОУ	КU, тыс	RВХ, МОм	RВЫХ, Ом	f1, МГц

Исследовать следующие функциональные узлы:

  4.1 Усилитель напряжения с инверсией входного сигнала (рисунок 1).

Рисунок 1 – Инвертирующий усилитель на ОУ

Исследования проводятся   для двух подвариантов (1) и (2) сопротивлений обратной связи R1 и R2, которые выбираются из таблицы 2.

         Таблица 2

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8
R1(1), кОм	1	2	3	4	5	6	7	8
R2(1), кОм	2	3	4,5	6	10	9	14	12
R1(2), кОм	2	2,5	3	2	3	5	4	2
R2(2), кОм	200	500	450	600	600	750	400	300
Вариант	9	10	11	12	13	14	15	16
R1(1), кОм	9	10	1	2	3	4	5	6
R2(1), кОм	18	15	3	5	7,5	8	15	15
R1(2), кОм	5	4	4	2	2,5	4	4	5
R2(2), кОм	800	800	400	500	500	500	600	600

Используя значения резисторов R1 и R2, рассчитать К_{U РАСЧ}, R_ВХ и R_ВЫХ по ниже приведенным формулам. Параметры ОУ без обратной связи приведены в приложении А.  Записать в таблицу 3.

;  ;  .

Таблица 3.

R1(1)=      кОм	R2(1)=       кОм		R1(2)=       кОм		R2(2)=       кОм
(1)	IВХ=  мкА		UВЫХ 1=   мВ		UВЫХ 2=   мВ
(2)	IВХ=  мкА		UВЫХ 1=   мВ		UВЫХ 2=   мВ
	Расчетное			Измеренное
Параметр	КU ОС	RВХ ОС	RВЫХ ОС	КU ОС	RВХ ОС	RВЫХ ОС
(1)
(2)

Установить на входе U_ВХ = 10 мВ и частоту генератора f = 1 кГц. Измерить напряжения на выходе и определить фактический К_UОС. Измерить и рассчитать R_ВХ по формуле R_ВХ=U_ВХ /I_ВХ. Для вычисления R_{ВЫХ ОС} провести измерения выходного напряжения U_{ВЫХ 1} при отключенном R3 и U_{ВЫХ 2} при включенном R3. R_{ВЫХ ОС} определить по формуле

 Сравнить измеренные и рассчитанные значения. Зарисовать осциллограммы входного и выходного сигналов, обратить внимание на инверсию выходного сигнала относительно входного.

  4.2 Усилитель напряжения без инверсии входного сигнала (рисунок 2). Величины резисторов такие же, как в п. 4.1.

Рисунок 2 – Неинвертирующий усилитель

, .

Провести расчеты и измерения как в п. 4.1. Убедиться, что К_{U ИЗМЕР} в этом случае на единицу больше, чем в предыдущем случае и отсутствует инверсия выходного сигнала относительно входного. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 4.

Таблица 4.

R1(1)=      кОм	R2(1)=       кОм		R1(2)=       кОм		R2(2)=       кОм
(1)	IВХ=  мкА		UВЫХ 1=   мВ		UВЫХ 2=   мВ
(2)	IВХ=  мкА		UВЫХ 1=   мВ		UВЫХ 2=   мВ
	Расчетное			Измеренное
Параметр	КU ОС	RВХ ОС	RВЫХ ОС	КU ОС	RВХ ОС	RВЫХ ОС
(1)
(2)

4.3 Сумматор на три входа с инверсией входных сигналов приведен на рисунке 3.

Рисунок 3 – Сумматор на три входа

              Напряжение на выходе определяется формулой

Величину резистора R4 выбираем согласно варианта из таблицы 5.

Таблица 5

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
R4, кОм	1	1,2	1,5	1,8	2	2,4	2,7	3	3,3	3,6	3,9	4,3	4,7	5,1	5,6

Установить частоты генераторов G1, G2 и G3 равными 1, 3 и 5 кГц соответственно, а напряжения равное 100 мВ.

Рассчитать величины элементов R1, R2 и R3 для получения формы сигнала на выходе близкой к прямоугольной по формулам

 R1=R4,  R2=3,3·R4 и R3=5·R4.

R1 = …, кОм

R2 = …, кОм

R3 = …, кОм

Записать величины  резисторов и зарисовать осциллограммы входных и выходного сигналов.

4.4  Вычитающее устройство приведено на рисунке 4.

Рисунок 4 – Вычитающее устройство

Значения резисторов и сигналов взять из таблицы 6.

Таблица 6

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
R1, кОм	1	2	3	4	5	1	2	3	4	5	1	2	3	4	5
R2, кОм	1	2	3	4	5	1	2	3	4	5	1	2	3	4	5
R3, кОм	1	1	2	2	2	2	2	3	2	2	4	4	3	2	2
R4, кОм	3	5	6	6	10	4	4	6	6	7,5	1,5	3	3	5	5

Определить коэффициенты передачи каждого из сигналов.

Зарисовать сигналы генераторов и, подавая их на входы вычитателя по одному, (напряжение другого сигнала равно нулю) зарисовать выходные сигналы. Затем зарисовать разностный сигнал.

4.5  Интегратор представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 – Принципиальная схема интегратора

 

Номиналы элементов выбираются из таблицы 7.

Таблица 7.

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
R, кОм	10	11	12	13	14	15	16	10	11	12	13	14	15	16	17
С, нФ	20	19	18	17	16	15	14	13	20	19	18	17	16	15	14

4.5.1 Подать на вход устройства напряжение от генератора гармонического сигнала напряжением 1 В и с частотой 1 кГц. Зарисовать сигналы на входе и выходе интегратора, обратив внимание на фазу выходного сигнала относительно входного.

4.5.2 Затем, подать на вход устройства напряжение прямоугольной формы. Зарисовать осциллограммы сигналов на входе и выходе в едином временном масштабе.

4.5.3 Подать на вход сигнал треугольной формы. Зарисовать сигналы на входе и выходе устройства и дать объяснение в этом случае.

4.6 Дифференциатор изображен на рисунке 6.

Номиналы R и С взять из таблицы 8.

Таблица 8

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
R, кОм	10	11	12	13	14	15	16	10	11	12	13	14	15	16	17
С, нФ	20	19	18	17	16	15	14	13	20	19	18	17	16	15	14

 

Рисунок 6 – Принципиальная схема дифференциатора

      4.6.1 Подать на вход сигнал синусоидальной формы. Зарисовать сигналы на входе и выходе устройства, обратив внимание на фазу выходного сигнала относительно входного.

     4.6.2 Использовать сигнал прямоугольной формы. Зарисовать осциллограммы сигналов на входе и выходе. Сравнить осциллограммы и сделать выводы об изменении формы выходных импульсов.

4.6.3 Подать на вход сигнал треугольной формы. Зарисовать сигналы на входе и выходе устройства и дать объяснение в этом случае.

     4.7 Принципиальная схема амплитудного детектора приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 – Амплитудный детектор

 

Сигнал на вход устройства подается от генератора синусоидальных колебаний  G1 с амплитудой 1 В. Коэффициент передачи для положительных и отрицательных полупериодов на выходе соответственно равен

, .

Для наблюдения входного сигнала канал А осциллографа подключить к генератору G1. Канал В осциллографа подключить поочередно к выходам 1 и 2. Зарисовать осциллограммы соответствующие данному выходу, расположив их ниже осциллограммы входного сигнала.

    Изменить один из резисторов R2 или R3 в два раза. Исследовать осциллограммы и дать поясненияв этом случае.

4.8 Схема генератора гармонического сигнала приведена на рисунке 8.

 

Рисунок 8 – Генератор гармонического сигнала

Рассчитать частоту генерируемого сигнала по формуле

Номиналы элементов берутся из таблицы 9.

Таблица 9

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
R, кОм	10	11	12	13	14	15	16	10	11	12	13	14	15	16	17
С, нФ	20	19	18	17	16	15	14	13	20	19	18	17	16	15	14

Изменяя сопротивление переменного резистора R1 добиться генерации сигнала синусоидальной формы и пользуясь осциллографом измерить частоту генерации f ₀. Установить величину сопротивления R1 равную 9 и 8 кОм. Определить изменения формы и частоты генерируемого сигнала.

4.9 Схема мультивибратора представлена на рисунке 9.

Рисунок 9 – Принципиальная схема мультивибратора

 

Период колебаний мультивибратора определяется формулой

.

Рассчитать его. Номиналы емкости выбираются из таблицы 10.

Таблица 10

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
С, нФ	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24

Зарисовать сигнал на выходе и на емкости С. Измерить период колебаний. 

4.10 Схема фильтра нижних частот представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 – Принципиальная схема фильтра нижних частот

    

Значение резисторов выбирать из таблицы 11 согласно номера варианта.

Таблица 11

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
R1, кОм	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
R2, кОм	20	22	24	26	28	30	32	24	36	38	40	42	44	46	48
С, нФ	20	19	18	17	16	15	14	13	12	11	10	9	8	7	6

 

Снять амплитудно-частотную характеристику фильтра (таблица 12).

Таблица 12

f, Гц	20	50	100	200	500
UВЫХ, В

 

 Значение частоты генератора синусоидального сигнала изменять от 20 Гц до частоты, на которой коэффициент передачи снизится в 5 раз. Построить график АЧХ фильтра, определить коэффициент передачи в полосе пропускания. По графику найти частоту среза f_0.

4.11 Схема фильтра верхних частот представлена на рисунке 11.

 

Рисунок 11 – Принципиальная схема фильтра верхних частот

    

Номиналы элементов взять из таблицы 11. Снять амплитудно-частотную характеристику фильтра. Значение частоты генератора синусоидального сигнала изменять от 100 кГц (в сторону понижения частоты) до частоты, на которой коэффициент передачи снизится в 5 раз.

Таблица 13

f, кГц	100	50	20	10	…
UВЫХ, В

Построить график АЧХ фильтра, определить коэффициент передачи в полосе пропускания, частоту среза.