Усилитель постоянного тока (УПТ) с внешними элементами на входе и в цепи отрицательной обратной связи называется операционным усилителем (ОУ).

ОУ предназначены для выполнения линейных математических операций (например, алгебраического сложения, умножения функций на постоянную величину, дифференцирования, интегрирования и т. д.) над аналоговыми и импульсными величинами. Иногда их еще называют решающими усилителями.

В качестве основного звена в ОУ используются электронные усилители постоянного тока, которые в настоящее время выполняются на интегральных микросхемах, т.к. они обладают малыми габаритами, высокой надежностью и быстродействием.

Выходное напряжение ОУ имеет знак, обратный знаку входного напряжения, т.е. для него справедливо следующее выражение:

Uвых = -K Uвх.,

Где К—коэффициент усиления усилителя без обратной связи.

Если учитывать напряжения на входе и в цепи ООС, то после несложных выводов можно получить:

К = ,

Т.е. коэффициент усиления ОУ с отрицательной обратной связью зависит в основном только от отношения Rос/Rвх.

При изменении температуры или характеристик питающего напряжения возникает дрейф нуля, т.е. появление некоторого напряжения на выходе усилителя при отсутствии входного. Для стабильной работы и уменьшения влияния дрейфа нуля в ОУ используется отрицательная обратная связь.

Независимо от сложности принципиальной схемы ОУ состоит из трех каскадов: входного дифференциального усилителя, усилителя напряжения и выходного усилителя мощности. Первый каскад ОУ выполняется по схеме дифференциального усилителя, от него зависят все входные параметры ОУ. Второй каскад кроме увеличения коэффициента усиления обеспечивает согласование по сопротивлению входного и оконечного каскадов. Оконечный (выходной) каскад ОУ служит для согласования большого выходного сопротивления усилительных каскадов с низкоомной нагрузкой, т.е. позволяет получить малое выходное сопротивление. В настоящее время применяются двухкаскадные ОУ: в них второй и третий каскады совмещены. Напряжение на выходе дифференциального усилительного каскада можно определить: Uвых= Uвых₂ – Uвых₁, т.е. оно пропорционально разности входных напряжений. А при наличии на входах только напряжений помех, напряжение на выходе будет такое же, как и при отсутствии напряжений помех. Таким образом, дифференциальная схема включения усилителя защищает ОУ от действия помех. В названии микросхемы буквы УД обозначают: усилитель дифференциальный. Кроме того, того в состав современных ОУ входят цепи защиты по входу от перенапряжений и по выходу от превышения от выходного тока. Для удобства расчетов устройств с ОУ вводят понятие идеального ОУ, у которого:

- коэффициент усиления К

- входное сопротивление R_вх

- выходное сопротивление R_вых

- дрейф нуля , т.е. Uвых=0 при Uвх=0.

Достоинство ОУ в том, что подключение к его выходу допустимой нагрузки не вносит искажения между входным и выходным напряжениями. Основное назначение ОУ—построение схем с фиксированным коэффициентом усиления и достаточно точно получаемой передаточной функцией.

ОУ можно использовать для построения стабилизаторов напряжения, генераторов сигналов, компараторов, видеоусилителей, активных фильтров, масштабирующих, логарифмирующих, дифференцирующих, интегрирующих и других усилителей. Стандартный усилитель общего применения может применяться в 100-150 схемах включения.
Широкие функциональные возможности при небольшом числе стандартных типов ОУ, выпускаемых промышленностью, достигаются за счет включения разнообразных внешних цепей обратных связей. Наибольшее распространение получили интегральные полупроводниковые ОУ, обладающие наименьшими габаритами и массой, способные работать в диапазоне температур от –60 до +125˚С. Они имеют коэффициент усиления 10⁶ и более при усилении сигналов частотой от нуля до единиц мегагерц.

Современные ОУ относительно дешевы и доступны для широкого применения, что обеспечивается их массовым автоматизированным изготовлением. Надежность операционного усилителя, включающего в себя несколько сотен элементов и более, соответствует надежности отдельного транзистора, что обеспечивается интегральной технологией, при которой все элементы (транзисторы, диоды, резисторы и др.) и соединения между ними выполняются в едином технологическом цикле. Как показывает практика, срок службы хорошего полупроводникового интегрального ОУ может превысить 20 лет.

На схеме видно, что ОУ имеет два входа и один выход. Вход, напряжение на котором сдвинуто по фазе на 180˚ относительно выходного напряжения, называют инвертирующим и обозначают кружком. Второй вход является неинвертирующим, т.к. напряжение на нем и выходное напряжение совпадают по фазе. Выводы, к которым подключаются источники питающего напряжения, а также вспомогательные цепи на принципиальных схемах обычно не обозначают.

 

Порядок выполнения работы:

1.Исследование интегрирующего операционного усилителя.

1.1 Ознакомится с блоком 4, с секторами А1 и А3.

1.2.К гнездам Х1-Х2 потенциометра R (сектор А3) подключить постоянное напряжение 20В.

1.3.К гнездам Х3-Х4 на выходе потенциометра подключить вольтметр на пределе измерения 20В: «+» -- подключить к красному гнезду V\Ω, «-«-- к черному СОМ.

1.4.Включить тумблер «Сеть».

1.5.Ручкой, расположенной на стенде, установить на выходе потенциометра напряжение –3В.

1.6.Выключить тумблер «Сеть».

1.7.Подать напряжение с выхода потенциометра на вход интегрирующего ОУ к гнездам Х1(-) и Х2(+).

1.8.Вольтметр с выхода потенциометра переключить на вход усилителя к гнездам Х3 и Х4.

1.9.К гнездам Х5-Х6 подключить второй вольтметр на пределе измерения 20В.

1.10.К гнездам Х7-Х8 подключить постоянное напряжение 30В.

1.11.Включить тумблер «Сеть», убедиться что напряжение на входе усилителя не превышает 3В.

1.12.Засечь начало отсчета времени и кратковременно нажать кнопку SB, наблюдая за увеличением Uвых, фиксировать его значения каждые 5секунд в течение одной минуты.

1.13.Результаты измерений заносить в таблицу1.

 

Т, сек 0 5 10 15..... 60

U вых, В

 

1.14.Кратковременно нажать кнопку SB (разрядить конденсатор) и сразу же выключить напряжение питания.

1.15.По данным таблицы построить график Uвых= f(Т) и сделать вывод о работе исследуемого ОУ.

 

Наименование	Номер	Положение переключателя
POWER	(9)	Отжат
INTEN	(2)	По часовой стрелке приблизительно в положение на З часа
FOCUS	(4)	Среднее положение
ILLUM	(6)	Полностью против часовой стрелки
VERT MODE	(39)	СН1
CHOP	(41)	Отжат
CH2 INV	(36)	Отжат
POSITION	(40)37)	Среднее положение
VOLTS/DIV	(10)14)	0.5 В/дел
VARIABLE	(13)17)	CAL (по часовой стрелке)
AC-DC-GND	(11) 15)	GND
SOURCE	(26)	СН 1
COUPLING	(25)	АС
SLOPE	(22)	+
TRIG ALT	(24)	Отжат
LEVEL LOCK	(29)	Нажат
HOLDOFF	(31)	MIN (против часовой стрелки)
TRIGGER MODE	(28)	AUTO
HORIZ DISPLAY MODE	(38)	А (только для GOS-653G)
TIME/DIV	(18)	0.5 мс/дел
SWP.UNCAL	(19)	Отжат
POSITION	(34)	Среднее положение
X1O MAG	(33)	Отжат
X-Y	(27)	Отжат

2. Исследование дифференцирующего операционного усилителя.

Это исследование производится с помощью электронного осциллографа, поэтому перед работой необходимо выполнить некоторые операции по настройке осциллографа.

Установите органы управления осциллографа, в соответствие с приведенной

таблицей:

 

После установки органов управления, как указанно выше, подключите сетевой шнур к розетке, и затем, продолжите следующим образом:

1) Включите кнопку(9) и убедитесь, что загорается индикатор(8). В течение приблизительно 20 секунд, на экране должна появиться линия развертки. Если луч не появляется приблизительно в течение 60 секунд, проверьте правильность установки органов управления.

2) Установите желательную яркость и фокус изображения с помощью ручек (2) и (4) соответственно.

3) Установите изображение луча параллельно горизонтальнойлинии шкалы, вращая ручки (40), (37) СН 1 и ручку
(5) (отверткой).

 

2.1. Ознакомиться с блоком 4 сектором А2.

2.2. Подать на гнезда Х1-Х2 переменное напряжение 5В.

2.3. На гнезда Х7 - Х8 подключить постоянное напряжение 30В.

2.4. К выходу усилителя подключить осциллограф:

- Гнездо Х3 с помощью щупа подключить ко входу осциллографа СН-1;

- гнездо Х4 подключить к гнезду без значка ;

- Ручкой осциллографа СНХ (VOLTS/DIV) установить 5V;

- Ручкой TIME/DIV установить 2 mS.

2.5. Включить тумблеры «Сеть» на стенде и на осциллографе.

2.6. Получить на экране осциллографа устойчивое изображение выходного напряжения и зарисовать его в отчет (возможно с помощью кальки).

2.7. Сделать вывод о работе исследуемого операционного усилителя.

 

 

Рис. 19. Схема исследования интегрирующего операционного усилителя

 

 

 

Рис. 20. Схема исследования дифференцирующего операционного усилителя

 

Контрольные вопросы:

 

1.Почему исследуемые усилители называются операционными?

2.Приведите уравнения интегрирующего и дифференцирующего усилителей.

3.Какими элементами определяется коэффициент передачи ОУ?

4.Почему один из входов ОУ называют инвертирующим, и чем он отличается от неинвертирующего входа?

5.Составьте схему аналоговой модели, соответствующую заданному уравнению:

 

Y= a

6.От чего зависит вид выполняемой операции у ОУ?

7.Какие разновидности ОУ бывают?

8.Зачем в схеме ОУ используется отрицательная обратная связь?

9.Почему усилитель постоянного тока в ОУ строится по дифференциальной схеме?

10.Приведите примеры использования операционных усилителей.

 

 

Практическое занятие 1: Решение уравнений с помощью решающих (операционных) усилителей

 

Цель: научиться моделировать автоматическую систему с помощью операционных усилителей по заданному уравнению.

 

Используемые материалы:

1. Варианты заданий

2. Схемы исходных операционных усилителей

3. Методические указания

 

Отчет должен содержать:

1. Наименование и цель работы

2. Исходные данные

3. Условные обозначения всех операционных усилителей, которые использовались при моделировании, с указанием их названия и выполняемой функции.

4. Построенную схему автоматической системы.

 

Теоретическая часть:

Объект любой природы, который способен замещать исследуемый объект, т.е. находится с ним в отношении подобия, называется моделью. Между моделью и исследуемым объектом должно быть существенное сходство в главном и несущественные различия в остальном.

Основное преимущество математического моделирования заключается в возможности исследования явлений природы, трудно поддающихся изучению на хорошо известных явлениях.

Для исследования процессов и явлений в динамических системах, которые описываются математическими уравнениями, служат аналоговые вычислительные машины (АВМ); АВМ применяются для решения линейных и нелинейных дифференциальных уравнений любого порядка, описывающих поведение объекта самой различной физической природы.

Решение дифференциальных уравнений и их систем аналитическим путем не всегда возможно, поэтому решение их на АВМ приобретает большое практическое значение.

В большинстве случаев математические модели удобно строить на электрических элементах, поэтому наиболее широкое применение получили электронные моделирующие устройства.

АВМ состоят из набора линейных и нелинейных блоков, а также вспомогательных блоков, соединяемых в той или иной последовательности в зависимости от вида решаемого уравнения.

Решение задачи с помощью АВМ состоит в измерении интересующих нас переменных величин, которые подаются на входы операционных усилителей в виде напряжений (машинных переменных), и правильном соединении выбранных видов.

Решение задачи с помощью АВМ состоит в измерении интересующих нас переменных величин, которые подаются на входы операционных усилителей ОУ в виде напряжений (машинных переменных) и правильном соединении выбранных видов ОУ.

С помощью АВМ (электронных аналоговых вычислительных машин) также можно исследовать АСР и определять параметры настройки регуляторов.

АВМ очень эффективны как инструмент оценки качества процесса регулирования систем известной структуры при разных технологических режимах работы объекта и различных комбинациях параметров настройки регулятора.

Простота изменений значений параметров регулятора, а в случае необходимости и отдельных параметров объекта, и возможность проведения эксперимента на моделях не в натуральном, а в машинном масштабе времени позволяет значительно сократить затраты времени на проведение каждого эксперимента и проверить большое число вариантов исследуемой задачи. Если исследуемая АСР не удовлетворяет требованиям технологического процесса по показателям качества регулирования, то обращаются к модели, поскольку на ней можно легко менять структуру АСР; после испытания нескольких вариантов выбирают наиболее подходящий из них.

Исходным материалом для моделирования АСР является математическое описание входящих в нее элементов или звеньев. Оно может быть получено либо путем составления их уравнений динамики, либо из переходных (временных) или частотных характеристик, полученных экспериментально.

В электронных моделях используют суммирующие, инвертирующие, интегрирующие и дифференцирующие усилители.

Рассмотрим принцип действия некоторых решающих элементов.

На рисунке 1,а, приведена схема включения операционного усилителя, который выполняет операцию изменения масштаба или умножения на постоянный коэффициент.

где R₁ – сопротивление на входе; R₀ – сопротивление обратной связи; U_ВХ, U_ВЫХ – входное и выходное напряжения усилителя постоянного тока U.

Величина коэффициента передачи устанавливается изменением R₀ и R₁. Если R₀ = R₁, то происходит инвертирование входного сигнала, т.е. умножение его на минус единицу. Усилитель с несколькими входами (R₁ … R_n) становится сумматором (рис. 1,б):

Если в схеме, приведенной на рис. 1,а вместо сопротивления обратной связи R₀ включить конденсатор С (рис. 1, в), то операционный усилитель превращается в интегрирующий усилитель.

где 1/ R₁С = К – коэффициент передачи.

 

в)

 

 

 

Математическое описание широкого класса объектов автоматического регулирования (например, теплообменной аппаратуры, химических реакторов и др.) приводит к необходимости решения линейного дифференциального уравнения n -го порядка с постоянными коэффициентами.

Рассмотрим порядок решения задачи с помощью АВМ на примере обыкновенного линейного дифференциального уравнения первого порядка с постоянными коэффициентами, имеющего вид:

 

 

По виду уравнения, нетрудно определить, какие блоки потребуются для выполнения всех математических операций, имеющихся в этом уравнении. Вполне очевидно, что переменная X₁ может быть получена в результате интегрирования переменной а. Для определения переменной X₂ нужно продифференцировать переменную в. А для определения у необходимо все переменные умножить сначала на соответствующие коэффициенты и просуммировать полученные произведения.

 

Порядок выполнения работы:

 

1. Повторить условные обозначения всех ОУ, которые были изучены.

2. Записать заданное уравнение моделируемой автоматической системы.

3. Определить количество и виды ОУ, которые будут составлять эту систему.

4. Изобразить все эти операционные усилители по отдельности, указывая их наименования и все входные и выходные сигналы, как они заданы в уравнении.

5. Построить схему автоматической системы из подобранных ОУ, обозначая все начальные, промежуточные и конечные сигналы.

6. Ответить на контрольные вопросы.

7. Подготовиться к зачету.

Контрольные вопросы

 

1. Какие усилители называются операционными?

2. Перечислить все известные разновидности ОУ.

3. Любой ли усилитель может быть решающим?

4. Что такое моделирование автоматических систем?

5. Для чего и в каких случаях оно используется?

6. Объяснить порядок моделирования по заданному уравнению.

7. От чего зависит вид выполняемой операции?

8. Почему вычислительная машина, в которой используются ОУ, называется аналоговой?

9. Привести примеры применения АВМ.

 

Рис. 22. Пример решения уравнения

Варианты заданий