Лабораторная работа: Исследование интегрирующей и дифференцирующей схемы на основе операционного усилителя

Вариант 8

ТЕМА 2. «Формирователи импульсов»

Лабораторная работа №3.
ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРИРУЮЩЕЙ И ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩЕЙ СХЕМЫ НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

3.1. Цель работы

1). Исследование переходного процесса в схеме интегратора.

2). Исследование влияния амплитуды входного напряжения на переходной процесс в схеме интегратора.

3). Исследование влияния параметров схемы на переходный процесс в схеме интегратора.

4). Исследование переходного процесса в схеме дифференциатора.

5). Исследование влияния частоты входного напряжения на выходное напряжение дифференциатора.

6). Исследование влияния параметров схемы на переходный процесс в схеме дифференциатора.

3.2. Теоретическое введение

На основе операционного усилителя (ОУ) можно построить идеальные интеграторы. На рис. 3.1 показана простейшая схема, выполняющая эту функцию. Ее выходное напряжение связано со входным следующими соотношениями:

, (3.1)

(3.2)

Рис. 3.1

Недостатком этой схемы является дрейф выходного напряжения, обусловленный напряжением смещения и выходными токами ОУ.

Это нежелательное явление можно ослабить, если к конденсатору С подключить резистор R₂ c большим сопротивлением (рис. 3.2), обеспечивающий стабилизацию рабочей точки за счёт обратной связи по постоянному току. Резистор обратной связи R₂ предотвращает также насыщение ОУ после заряда конденсатора, когда ток через конденсатор станет равным нулю. Выходное напряжение этой схемы при подаче на неё скачка входного напряжения амплитудой изменяется в соответствии с выражением:

, (3.3)

Рис. 3.2

На начальном интервале переходного процесса при t << R₂ ЧС, изменение выходного напряжения будет достаточно близко к линейному, и скорость его изменения может быть вычислена из выражения:

. (3.4)

Рис. 3.3

Для схемы дифференциатора (рис. 3.3) выходное напряжение пропорционально скорости изменения входного сигнала и вычисляется по формуле:

, (3.5)

Скорость нарастания выходного напряжения V_Uвых равна отношению изменения выходного напряжения ОУ ко времени его нарастания при подаче на вход скачка напряжения. Время нарастания определяется интервалом времени, в течение которого выходное напряжение ОУ изменяется от 10% до 90% от своих установившихся значений.

V_UВЫХ =∆ U_ВЫХ /∆ t_нар (3.6)

2.3. Описание лабораторной работы

Исследования производятся с использованием программы NI Multisim Circuit Design Suite 13.0. Программа NI Multisim Circuit Design Suite 13.0 устанавливается в среде Microsoft Windows Vista/XP/7/8. Запуск программной среды NI Multisim Circuit Design Suite 13.0 осуществляется нажатием левой клавишей мыши на ярлык программы NI Multisim 13.0 на рабочем столе или воспользовавшись меню Пуск / Программы / NI Circuit Design Suite 13.0 / NI Multisim 13.0. Выбираем необходимые элементы схемы, соединяем, запускаем схему, проводим необходимые измерения.

Для того, чтобы добавить на схему нужный компонент необходимо нажать левой клавишей мыши на значок раздела, который находиться на панели разделов или приборов, и в открывшемся окне выбрать необходимый компонент схемы. Также добавить необходимый компонент схемы можно, нажав правой клавишей мыши на рабочее поле, далее выбрать «Place component…» («Установить компонент…»), или можно воспользоваться сочетанием клавиш Ctrl+W. В открывшемся окне нужно выбрать необходимый компонент в разделе «Component:» или найти необходимый компонент по его названию в поисковой строке.

Для того, чтобы добавить на схему компонент – операционный усилитель 741 необходимо нажать левой клавишей мыши на значок раздела Analog (Аналоговые компоненты), который находиться на панели разделов или приборов. В открывшемся окне выбрать семейство компонентов (Family) – OPAMP ( ), после чего выбрать в списке компонентов компонент с названием 741. Также добавить операционный усилитель 741 на схему можно, нажав правой клавишей мыши на рабочее поле, далее выбрать «Place component…» («Установить компонент…»), или можно воспользоваться сочетанием клавиш Ctrl+W. В открывшемся окне нужно выбрать раздел аналоговых компонентов (Group: Analog), семейство компонентов – OPAMP. Далее выбрать компонент с названием 741, или найти операционный усилитель 741 по его названию (741) в поисковой строке ( ).

Для моделирования схем замещения электронных цепей в соответствующих библиотеках компонентов и приборов (Табл.2.1) выбираем необходимые элементы схемы.

Таблица 3.1

Чтобы задать требуемые параметры элементов необходимо на выбранном элементе щелкнуть правой кнопкой мыши и выбрать пункт меню «Properties» («Свойства») и в закладке «Value» («Параметры») указать необходимые параметры.

3.4. Варианты для лабораторной работы

Для выполнения лабораторной работы необходимо выбрать марку операционного усилителя, соответствующую вашему варианту.

Таблица 3.2

3.5. Порядок выполнения лабораторной работы

3.5.1 Исследование переходного процесса в схеме интегратора

Собрать схему, изображенную на рис. 3.4. Включить питание. Зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжений при подаче на вход напряжения в виде последовательности прямоугольных импульсов. Измерить амплитуды входного и выходного напряжений и определить по осциллограмме скорость изменения выходного напряжения (по формуле 3.6). Рассчитать значение выходного напряжения (по формуле 3.3). Результаты занести в таблицу 3.3 (Эксперимент №1).

Рис. 3.4

3.5.2 Исследование влияния амплитуды входного напряжения на переходной процесс в схеме интегратора

В схеме, изображенной на рис. 3.4, установить амплитуду генератора равной 2В. Включить питание. Зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжений. Измерить амплитуду входного и выходного напряжений и определить по осциллограмме скорость изменения выходного напряжения. Сравнить осциллограммы выходного напряжения, полученного в этом и предыдущем экспериментах. Для установившегося процесса рассчитать амплитуду выходного напряжения (по формуле 3.3). Результаты занести в таблицу 3.3 (Эксперимент №2).

3.5.3 Исследование влияния параметров схемы на переходный процесс в схеме интегратора

а) В схеме рис. 3.4 установить значение сопротивления R₁ равным 5 кОм, амплитуду генератора 5 В. Включить питание. Зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжений. Записать значение амплитуды входного и выходного напряжений и определить по осциллограмме скорость изменения выходного напряжения в установившемся режиме. Для установившегося процесса рассчитать амплитуду выходного напряжения (по формуле 3.3). Результаты занести в таблицу 3.3 (Эксперимент №3, а).

Сравнить осциллограмму выходного напряжения, полученного в данном эксперименте с осциллограммой, полученной в эксперименте п. 3.5.1.

б) В схеме рис. 3.4 установить емкость конденсатора равной 0,02 мкФ. Включить питание. Зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжения. Определить значения амплитуды входного и выходного напряжений, и скорость изменения выходного напряжения. Для установившегося процесса рассчитать амплитуду выходного напряжения (по формуле 3.3). Результаты занести в таблицу 3.3 (Эксперимент №3, б).

Сравнить осциллограмму выходного напряжения, полученную в данном эксперименте, с осциллограммой, полученной в эксперименте п.3.5.1.

3.5.4 Исследование переходного процесса в схеме дифференциатора

Собрать схему, изображенную на рис. 3.5. Включить питание. Зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжений. По полученным осциллограммам определить значения входного и амплитуду выходного напряжений. Определить скорость изменения выходного напряжения (по формуле 3.6).

По заданным параметрам схемы и найденному значению скорости изменения выходного напряжения рассчитать амплитуду выходного напряжения (по формуле 3.5). Результат занести в таблицу 3.3 (Эксперимент №4).

Рис. 3.5

3.5.5 Исследование влияния частоты входного напряжения на выходное напряжение дифференциатора

а) В схеме на рис. 3.5 установить частоту генератора равной 2 кГц. Включить питание. Зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжений. По полученным осциллограммам определить скорость изменения выходного напряжения и амплитуды входного и выходного напряжений. Сравнить осциллограмму выходного напряжения, полученную в данном эксперименте, с осциллограммой, полученной в эксперименте п. 3.5.4.

По заданным параметрам схемы и найденному значению скорости изменения выходного напряжения рассчитать амплитуду выходного напряжения (по формуле 3.5). Результаты занести в таблицу 3.3 (Эксперимент №5).

3.5.6 Исследование влияния сопротивления в цепи обратной связи на выходное напряжение дифференциатора

В схеме на рис. 3.5 восстановить начальное значение частоты генератора, а величину сопротивления в цепи обратной связи установить равной 10 кОм. Включить питание. Зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжений. По полученным осциллограммам определить скорость изменения выходного напряжения и амплитуды входного и выходного напряжений. Сравнить осциллограмму выходного напряжения, полученную в данном эксперименте, с осциллограммой, полученной в эксперименте п. 3.5.5.

По заданным параметрам схемы и найденному значению скорости изменения выходного напряжения рассчитать амплитуду выходного напряжения (по формуле 3.5). Результаты занести в таблицу 3.3 (Эксперимент №6).

3.5.7 Исследование влияния емкости конденсатора на выходное напряжение дифференциатора

В схеме на рис. 3.5 восстановить первоначальные значения параметров схемы, а величину емкости конденсатора установить равной 0,1 мкФ. Включить питание. После установления процесса зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжений. По полученным осциллограммам определить скорость изменения выходного напряжения и амплитуды входного и выходного напряжений. Сравнить осциллограмму выходного напряжения, полученную в данном эксперименте, с осциллограммой, полученной в предыдущем эксперименте.

По заданным параметрам схемы и найденному значению скорости изменения выходного напряжения рассчитайте амплитуду выходного напряжения (по формуле 3.5). Результат занести в таблицу 3.3 (Эксперимент №7).

Таблица 3.3

3.6. Контрольные вопросы

1. Сравнить скорость изменения выходного сигнала в экспериментах 1 и 2.

2. Какую роль играет сопротивление R2 подключенное параллельно конденсатору в схеме на рис. 2.4?

3. На какие параметры переходного процесса в схеме рис. 2.4 влияет величина сопротивления R2?

4. Является ли схема на рис. 2.4 идеальным интегратором входного напряжения?

5. От параметров каких компонентов схемы на рис. 2.4 зависит точность интегрирования входного напряжения?

6. От параметров каких компонентов схемы на рис. 2.4 зависит скорость изменения выходного напряжения при подаче на вход скачка напряжения?

7. Выведите соотношение между входным и выходным напряжением для схемы на рис. 2.4.

8. Выведите соотношение между входным и выходным напряжением для схемы на рис. 2.5.

9. Почему схема на рис. 2.5 является дифференцирующим каскадом?

10. От параметров каких компонентов схемы рис. 2.5 зависит величина выходного напряжения при подаче на вход линейно изменяющегося напряжения?

11. Зависит выходное напряжение дифференцирующего каскада от скорости изменения входного напряжения? Пояснить.

12. Зависит ли выходное напряжение дифференцирующего каскада от величины сопротивления в цепи обратной связи?

13. Зависит ли выходное напряжение дифференцирующего каскада рис. 2.5 от емкости конденсатора С?

14. Почему выходное напряжение дифференцирующего каскада пропорционально отрицательному значению производной входного напряжения?