Главная Обратная связь

Дисциплины:

Архитектура (936)
Биология (6393)
География (744)
История (25)
Компьютеры (1497)
Кулинария (2184)
Культура (3938)
Литература (5778)
Математика (5918)
Медицина (9278)
Механика (2776)
Образование (13883)
Политика (26404)
Правоведение (321)
Психология (56518)
Религия (1833)
Социология (23400)
Спорт (2350)
Строительство (17942)
Технология (5741)
Транспорт (14634)
Физика (1043)
Философия (440)
Финансы (17336)
Химия (4931)
Экология (6055)
Экономика (9200)
Электроника (7621)






Параметры некоторых стабилитронов 2 часть



Uвх, В
Iст, мА            
Iн, мА            
Uвых, В            

 

По результатам эксперимента определите оптимальную величину вторичного напряжения питания схемы и в дальнейших настройках пользуйтесь этой величиной. Из соображений увеличения коэффициента полезного действия схемы превышение тока стабилитрона над током нагрузки желательно в диапазоне 10-30%. Приведите на одном графике кривые изменения напряжений на выходе мостовой схемы в точке 1, на конденсаторе С в точке 2 и на выходе блока питания по рис. 1.7.

Качество работы блока питания по стабилизации выходного напряжения проверить по методике, описанной в п. 7. Результаты испытаний занесите в табл. 1.7, аналогичную табл. 1.3. Определите по (1.10) экспериментальную величину коэффициента стабилизации схемы и величину ее выходного сопротивления, сравните эти результаты с данными, полученными при выполнении п. 7.

Контрольные вопросы

1. Как влияет сопротивление R1в схеме (см. рис. 1.2) на коэффициент стабилизации?

2. Какие меры необходимо предпринять, если при расчете по формуле (1.6) величина входного напряжения получится отрицательной?

3. Может ли стабилизатор напряжения ослаблять пульсации входного напряжения?

4. Почему в схеме (см. рис. 1.5, а) ток нагрузки может быть значительно больше, чем в схеме на рис. 1.4, б?

5. Может ли коэффициент стабилизации в схеме на рис. 1.5, а существенно отличаться от коэффициента стабилизации в схеме на рис. 1.4, б?

6. Как определить выходное сопротивление блока питания?

7. Можно ли увеличить коэффициент полезного действия блока питания хотя бы до 90%?

Лабораторная работа №2
Исследование решающих усилителей
на базе ОУ

Краткая теория

Операционный усилитель (ОУ) – это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления. Обычно он используется в схемах, чаще всего в так называемых решающих усилителях, для выполнения математических операций, виды которых определяются внешними цепями обратной связи ОУ.

Передаточная функция электронной схемы есть отношение величины выходного сигнала Uвых к величине входного сигнала Uвх. Для усилителя напряжения передаточная функция (коэффициент усиления) определяется выражением Кu = Uвых / Uвх. При разработке схемы наилучшим подходом является использование на первом этапе предположения об идеальности ОУ, что существенно упрощает расчет передаточной функции. На рис. 2.1 показана упрощенная эквивалентная схема ОУ. В представленной модели ОУ имеет входное сопротивление Rвх, включенное между двумя его входами U1 и U2. Выходная цепь состоит из управляемого источника (генератора) напряжения и включенного последова­тельно с ним выходного сопротивления Rвых, связанного с выходом ОУ. Разность напряжений между входами ОУ вызывает протекание тока через сопротивление Rвх. Дифференциальное напряжение умножается на величину Кu – коэффициент усиления ОУ, в результате чего получается значение выходного напряжения.



 

Рис. 2.1. Эквивалентная схема ОУ

 

Предполагается, что идеальный ОУ имеет характеристики:

- коэффициент усиления при разомкнутой петле обратной связи в рабочей полосе частот равен бесконечности;

- входное сопротивление Rвх равно бесконечности;

- выходное сопротивление Rвых = 0;

- отсутствует напряжение смещения нуля, т.е. Uвых=0при U1=U2;

- входные токи для обоих входов ОУ равны нулю.

Кроме того, из рис. 2.1 видно, что Uвых=K(U2 – U1) или U2 –U1=Uвых / Кu. Так как Uвых имеет конечное значение (обычно не более 20 В), а коэффициент усиления Кu бесконечно велик (типичное значение 100000), то U2 – U1 0 и U2 ≈ U1.

Два последних факта существенно упрощают разработку схем на ОУ. Окончательно сформулируем их в следующем виде.

Правило 1. При работе ОУ в линейной области напряжения на двух его входах должны иметь одинаковые значения (U2 ≈ U1).

Правило 2. Входные токи для обоих входов ОУ равны нулю.

На принципиальных схемах в зарубежной литературе ОУ обозначается треугольным символом, как на рис. 2.1, но без его внутренней структуры, в отечественной литературе – в виде прямоугольника. Цепи подачи напряжения питания на ОУ могут и не показываться, но подразумеваться.



Инвертирующий усилитель

На рис. 2.2 представлена базовая принципиальная схема инвертирующего усилителя. Здесь и далее цепи питания ОУ не показываются, но подразумевается их наличие. Выражение для коэффициента усиления (передаточной функции) определяется из следующих соображений. Поскольку неинвертирующий вход заземлен, его потенциал равен нулю. Согласно правилу 1 потенциал инвертирующего входа также равен нулю (так называемая виртуальная земля).

 

 

Рис. 2.2. Инвертирующий усилитель

 

В соответствии с первым законом Кирхгофа и с учетом правила 2 можно записать

I вх = I0. (2.1)

В соответствии с законом Ома имеем Iвх = Uвх / Rвх и I0 = –Uвых / R0. Подстановка этих соотношений в (2.1) дает Uвх / Rвх = –Uвых / R0, откуда получим

Uвых = – (R0 / Rвх) Uвх. (2.2)

Таким образом, данная схема инвертирует входной сигнал, и коэффициент усиления инвертирующего усилителя Ku= R0 / Rвх.

Неинвертирующий усилитель

На рис. 2.3 представлена вторая базовая схема на ОУ – неинвертирующий усилитель.

По правилу 2 ток I0 должен течь через резисторы R0 и Rвх на землю, не ответвляясь в ОУ, поэтому можно записать

I0 = Uвых / (Rвх + R0).

 

 

Рис. 2.3. Неинвертирующий усилитель

Согласно правилу 1 на инвертирующем входе также действует входное напряжение Uвх ,, поэтому I0 Rвх = Uвх. Теперь можно записать, что [Uвых / (Rвх + R0)] Rвх = Uвх, откуда получим

Uвых = Uвх (1 + R0/ Rвх). (2.3)

Таким образом, рассмотренная схема входной сигнал не инвертирует, ее коэффициент усиления Ku = (1 + R0/ Rвх) положителен и всегда больше или равен 1. Можно показать, что входное сопротивление схемы очень велико (близко к бесконечности).

Усилитель с единичным коэффициентом усиления

Если в неинвертирующем усилителе положить Rвх равным бесконечности, а Rо равным нулю, то мы придем к схеме, изображенной на рис. 2.4. Согласно правилу 1 напряжение на инвертирующем входе ОУ должно равняться входному напряжению Uвх. С другой стороны, неинвертирующий вход соединен с выходом схемы. Следовательно, Uвых = Uвх, т.е. выходное напряжение повторяет входное напряжение.

 

 

Рис. 2.4. Повторитель напряжения

 

Такая схема повторителя напряжения используется в качестве усилителя с большим значением входного сопротивления, обеспечивая развязку предыдущего каскада от нагрузочного влияния следующих за ним каскадов.

 

Сумматор (суммирующий усилитель)

Инвертирующий усилитель может суммировать несколько входных напряжений. Каждое входное напряжение соединяется с инвертирующим входом ОУ через отдельный резистор. В этом случае инвертирующий вход принято называть суммирующей точкой, поскольку здесь суммируются все входные токи и ток обратной связи.

Принципиальная схема сумматора представлена на рис. 2.5. Из равенства нулю напряжения на инвертирующем входе ОУ и нулевого значения входного тока следует

I0 = (I1 + I2 + … + In) и I1= U1 / R1, I2 = U2 / R2 , … , In = Un / Rn.

 

 

Рис. 2.5. Сумматор

Так как на инвертирующем входе имеем нулевое напряжение, то

I0 = –Uвых / R0. После соответствующих подстановок получаем

Uвых = –R0(U1 / R1+U2 / R2+…+Un / Rn)= –(К1U1+…+ КnUn), (2.4)

где Кi = R0/ Ri коэффициент передачи сумматора по i-тому входу.

Как видно из (2.4), резистор R0 влияет на все коэффициенты передачи в схеме, а резисторы R1, R2, …, Rn определяют индивидуальные значения весовых коэффициентов для соответствующих каналов ввода суммируемых напряжений. Кстати, входное сопротивление сумматора по i-тому входу практически совпадает с соответствующим Ri.

При работе с реальными ОУ необходимо обеспечить равенство проводимости цепей, подключенных к различным входам усилителя. Из этого условия к неинвертирующему входу ОУ должен подключаться резистор соответствующего номинала, соединенный своим вторым выводом с землей.

Методика выполнения

В ходе данной лабораторной работы будет проводиться экспериментальная проверка функционирования всех тех схем, теория работы которых рассмотрена выше. Студенты должны в программной оболочке Multisim 10 собрать на рабочем столе нужное устройство и провести с ним все необходимые эксперименты.

1. Запустите необходимое программное обеспечение.

2. Соберите на монтажном столе схему, приведенную на рис. 2.6. Подключите на вход схемы клемму с отрицательной полярностью от источника постоянного напряжения V1и подсоедините к выходу схемы мультиметр для измерения постоянного напряжения. Во избежание влияния подводящих проводников на работу схемы установите номиналы резисторов входного R1 ицепи обратной связи R2 из диапазона 2...10 кОм, задав коэффициент передачи ОУ в схеме равным 2.

 

 

Рис. 2.6. Работа инвертирующего усилителя

 

3. Изменяя входное напряжение с V1 через 3 В в диапазоне от –12 до +12 В, запишите в табл. 2.1 показания выходного прибора, определите величину коэффициента передачи в каждой точке и постройте выходную характеристику Uвых=f(Uвх) инвертирующего усилителя. Для получения на входе схемы напряжений положительной полярности с V1 следует отсоединить от V1 все проводники, повернуть его командой Ctrl+R на 180° и вновь проводниками подсоединить к схеме.

 

Таблица 2.1

 

Uвх, В -12 -9 -6 -3
Uвых, В                  
Kпер                  

 

4. Вместо источника постоянного напряжения V1 на вход схемы подключите генератор синусоидальных колебаний XFG1 c тремя выходными клеммами – клемму минус подсоединить к R1, а нулевую клемму генератора соединить с «землей». Выход ОУ подключен к мультиметру. На частоте 50 Гц установите амплитуду входного сигнала с генератора на ОУ в 2 В и при постоянной ее величине снимите зависимость амплитуды выходного сигнала инвертирующего усилителя от частоты генератора в диапазоне до 1 ГГц. Мультиметр будет показывать действующее значение переменного напряжения Uвых д, которое необходимо пересчитать в амплитудное Uвых а умножением на 1,41. Затем определить коэффициент передачи схемы делением Uвых а на Uвх = 2 В. Шаг изменения частоты – переменный, обеспечивает большую точность построения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в месте перегиба.

Таблица 2.2

 

f , кГц 0,05 1 000 000
U вых д , В          
U вых а , В          
K пер          

 

Построив АЧХ усилителя по данным табл. 2.2, определите ширину полосы пропускания ОУ как зону частоты по оси абсцисс, для которой коэффициент передачи схемы по напряжению больше или равен 0,707 K мах.

Частоту по оси абсцисс откладывайте в логарифмическом масштабе.

5. Соберите на монтажном столе схему, приведенную на рис. 2.7. Подключите на вход схемы клемму с отрицательной полярностью источника постоянного напряжения V1, на выходе подключите мультиметр.

 

 

Рис. 2.7. Работа неинвертирующего

усилителя

 

6. Установите величины резисторов R1 = 2 кОм и R2 = 2 кОм. Изменяя входное напряжение ОУ через 3 В в диапазоне от –12 до +12 В, запишите в табл. 2.3 показания выходного прибора, рассчитайте величины коэффициентов усиления Кпер ОУ, сравнив их со значением по (2.3), и постройте выходную характеристику неинвертирующего усилителя. Найдите ее отличие от характеристики инвертирующего усилителя.

Таблица 2.3

 

Uвх, В -12 -9 -6 -3
Uвых, В                  
Kпер                  

 

7. Повторите действия, указанные в п. 4, для схемы по рис. 2.7 и сравните амплитудно-частотные характеристики двух схем включения ОУ.

8. Соберите на монтажном столе схему, приведенную на рис. 2.8.

 

 

Рис. 2.8. Повторитель напряжения

 

Подключите на вход схемы источник постоянного напряжения и присоедините к выходу схемы мультиметр. Изменяя напряжение на входе через 3 В в диапазоне от –12 В до +12 В, запишите показания выходного прибора в табл. 2.4, аналогичную табл. 2.3. Подсчитайте величины коэффициентов усиления по данным таблицы и сравните с его теоретическим значением. Постройте выходную характеристику.

9. Соберите на монтажном столе схему, приведенную на рис. 2.9, для трех входных сигналов от трех источников постоянного напряжения. Номиналы резисторов на схеме не соответствуют действительности. Установите величину резистора в цепи обратной связи R0= 10 кОм. В соответствии с (2.4) рассчитайте номиналы резисторов R1, R2, R3 для задания по трем входам следующих коэффициентов передачи: К1 = 0,75; К2 = 0,5; К3= 0,25. Проверьте работу сумматора при реализации зависимости для заданной комбинации входных сигналов (табл. 2.5). Сравните измеренные значения выходного сигнала Uвых. э и рассчитанные по (2.5) величины Uвых.р. Оцените в процентах погрешность реализации данной зависимости.

 

Рис. 2.9. Работа сумматора

 

Таблица 2.5

 

U1, B
U2, B
U3, B
Uвых. р, B        
Uвых. э, B        
∆Uвых = |Uвых. р –Uвых. э|        

 

Uвых = K1 U1 + K2 U2 + K3 U3 (2.5)

10. В схеме по п. 9 рассчитайте значения резисторов R1, R2, R3 для задания по трем входам коэффициентов передачи К1=1,5; К2=0,5; К3=1. Установите эти номиналы в схеме. Проверьте работу сумматора при реализации зависимости

Uвых= 1,5 U10,5 U2 + 1,0 U3 (2.6)

при тех же комбинациях входных сигналов, что и в табл. 2.5. Сравните измеренные значения выходного напряжения Uвых.э и рассчитанные по (2.6) величины Uвых.р. Все измеренные и рассчитанные величины занесите в табл. 2.6, аналогичную по построению табл. 2.5. Оцените в процентах погрешность реализации зависимости (2.6).

Знак минус во втором слагаемом уравнения (2.6) реализуется обратным включением источника входного напряжения U2.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные характеристики идеального ОУ.

2. Укажите область применения повторителя напряжения.

3. Напишите выражение для выходного напряжения сумматора. Как влияют погрешности используемых резисторов на результат?

4. Чем определяется входное сопротивление сумматора по i-тому входу?

Лабораторная работа №3
Исследование электронных схем на ОУ

Краткая теория

Свойства операционных усилителей ОУ значительно упростили разработку электронных схем. Изучению некоторых из них и посвящена данная лабораторная работа.

Интеграторы

Схема интегратора приведена на рис. 3.1, а. Здесь входное напряжение подается на инвертирующий вход ОУ через резистор, а в цепи обратной связи включен конденсатор. Так как неинвертирующий вход ОУ соединен с «землей» (U+=0), то и на инвертирующем входе будет нулевое напряжение (U =0) Учитывая, что входной ток ОУ равен нулю, можно записать для входа «»

Iвх = I0 или Uвх / R = – C(dUвых / dt).

Из последнего выражения получим

U вых = – 1 / (RC) ∫ Uвх dt + U0, (3.1)

 

Рис. 3.1. Работа интегратора:

а – принципиальная электрическая схема;

б – временная диаграмма

 

т.е. выходное напряжение представляет собой интеграл (с обратным знаком) от входного напряжения в интервале от нуля до t, умноженный на масштабный коэффициент 1/RC. U0 в формуле (3.1) называют напряжением начальных условий – это напряжение, до которого мог быть заряжен конденсатор до начала интегрирования. На рис. 3.1, б показан выходной сигнал интегратора в функции времени при ступенчато изменяющемся входном напряжении и при нулевом напряжении на конденсаторе в начальном состоянии. Скорость изменения Uвых можно выразить в виде

ΔUвых / ΔT = – Uвх / (RC). (3.2)

Обратите внимание на то, что выходное напряжение не возвращается к нулю, если напряжение на входе становится равным нулю; выход просто перестает изменяться. Выходное напряжение интегратора пропорционально площади, ограниченной кривой входного сигнала от t = t1 до момента времени t = t2.

В работе интегратора разделяются циклы: установка начальных условий, т.е. предварительная зарядка С до нужного напряжения; цикл интегрирования и цикл хранения полученного состояния.

 

 

Рис. 3.2. Практическая схема интегратора (а) и циклы его работы (б)

 

На рис. 3.2, а показана практическая принципиальная схема интегратора. В цикле установки в начальное (исходное) состояние ключ N замкнут на суммирующую точку ОУ, а ключ I разомкнут, т.е. подсоединен к земле. Схема в установившемся режиме работает как инвертирующий усилитель, который заряжает конденсатор С до напряжения U0, равного взятому с обратным знаком опорному напряжению Uоп. Поскольку сопротивления всех резисторов одинаковы R=R1=R2, то коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен –1, выходное напряжение Uвых= –Uоп, и в начальном состоянии конденсатор заряжен до напряжения Uоп (рис. 3.2, б). В цикле интегрирования ключ N разомкнут, т.е. подсоединен к земле, а ключ I замкнут – подсоединен к суммирующей точке ОУ. В цикле хранения оба ключа подсоединены к земле, и выходное напряжение Uвых поддерживается на постоянном уровне для считывания или последующей обработки.

Компараторы

Компаратор – это электронная схема, которая сравнивает два входных напряжения и вырабатывает выходной сигнал, зависящий от состояния входов. Базовая принципиальная схема компаратора показана на рис. 3.3, а. Как видим, здесь ОУ работает с разомкнутой петлей обратной связи. На один из входов подается опорное напряжение Uоп, на другой – неизвестное (сравниваемое) напряжение Uвх. Выходной сигнал компаратора указывает, выше или ниже уровня опорного напряжения находится уровень неизвестного сигнала.

 

 

Рис. 3.3. Работа компаратора:

а – принципиальная схема;
б – выходная характеристика

 

В схеме на рис. 3.3, а опорное напряжение Uоп подается на неинвертирующий вход, а на инвертирующий вход подается неизвестный входной сигнал Uвх. При Uвх>Uоп на выходе компаратора устанавливается напряжение Uвых= –Us (отрицательное напряжение насыщения). В противоположном случае (Uвх<Uоп) получаем Uвых=+Us. Можно поменять местами входы – это приведет к инверсии выходного сигнала. На рис. 3.3, б представлена выходная характеристика рассмотренного компаратора.

Если напряжение Uвх на входе компаратора содержит шумовую составляющую, то выходное напряжение Uвых будет очень быстро флуктуировать между уровнями +Us и –Us. Исключить такиефлуктуации можно путем создания в компараторе цепи положительной обратной связи, при которой часть выходного напряжения подается на неинвертирующий вход. Принципиальная схема компаратора с гистерезисом показана на рис. 3.4, а. Делитель напряжения на резисторах R1, R2 обеспечивает создание положительной обратной связи, напряжение которой снимается с R1 и подается на неинвертирующий вход ОУ. Сопротивление резистора R3 равняется параллельно соединенным резисторам R1 и R2. При высоком уровне выходного напряжения резистор R2передает с выхода на вход напряжение, которое суммируется с опорным. В этом случае опорное напряжение возрастает на величину ΔUоп= (Us – Uоп) R1 /(R1 +R2).

 

 

Рис. 3.4. Работа компаратора с гистерезисом:

а – принципиальная схема;

б – выходная характеристика

 

Таким образом, получаем новое (большее) значение опорного напряжения Uоп+=Uоп+ΔUоп. В результате компаратор будет переключаться (из состояния с высоким уровнем выходного напряжения) при новом значении Uвх, превышающем Uоп на величину положительного напряжения обратной связи, поступающего с выхода компаратора. Как только входное напряжение Uвх превысит новое опорное напряжение Uоп+ΔUоп, выходное напряжение компаратора начнет уменьшаться. Это уменьшение через резистор R2 передастся на неинвертирующий вход, и напряжение на нем также уменьшится, стимулируя дальнейшее падение выходного напряжения. За счет положительной обратной связи этот процесс происходит лавинообразно, и компаратор быстро переключается в противоположное состояние. Поскольку на выходе компаратора теперь действует напряжение Uвых= –Us, то на его вход по цепи обратной связи передается напряжение

ΔUоп = (–Us – Uоп) R1 / (R1+R2). (3.3)

В этом случае устанавливается новое опорное напряжение для состояния с низким выходным уровнем:

Uоп- = Uоп –ΔUоп. (3.4)

Передаточная характеристика, изображенная на рис. 3.4, б, иллюстрирует эффект петли гистерезиса. При введении петли положительной обратной связи составляющие шума во входном напряжении Uвх уже не могут вызвать перебросы выходного сигнала Uвых от +Us к –Us и обратно. Например, если Uвх превысит уровень Uоп + ΔUоп и Uвых сразу же примет значение –Us, то для переключения компаратора обратно в исходное состояние необходимо, чтобы Uвх снизилось до значения, меньшего, чем Uоп –ΔUоп. Ширину петли гистерезиса можно изменять, используя вместо постоянного резистора R1 потенциометр.


Эта страница нарушает авторские права

allrefrs.ru - 2018 год. Все права принадлежат их авторам!