Лаб.раб 10. Имп ОУ (Лабораторные работы по электротехнике)

1.2. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №10. ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ УСТРОЙСТВ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ.

1.2.1. Цель лабораторной работы № 10.

Целью работы является изучение принципа работы и основных ха­рактеристик импульсных устройств на операционных усилителях (ОУ).

1. Теоретические основы лабораторной работы №10.

Интегральные операционные усилители являются универсальными элементами, на основе которых можно строить различные функциональные узлы аналоговой аппаратуры. Эта универсальность достигается за счет избыточности активных элементов в их схемах. На практике наиболее часто ОУ используются с обратными связями (ОС), при наличии которых коэффициент передачи устройства определяется только отно­шением значений элементов цепи ОС. При соответствующем выборе внешних элементов ОУ может осуществлять усиление, сложение, вычитание, дифференцирование, интегрирование сигналов, а также формировать различные функциональные зависимости.

П ри работе ОУ в импульсном режиме уровни его входных сигналов превышают значения, соответствующие линейной области амплитудной характеристики, состоящей из наклонного и двух горизонтальных участков. Импульсный режим работы ОУ характеризуется горизонтальными участками амплитудной характеристики. При изменении напряжения входного сигнала выходное напряжение ОУ остается практически постоянным и определяется напряжениями либо +Uвых, либо -Uвых, близкими соответ­ственно к напряжениям +Ек и -Ек источников питания.

Идеальный операционный усилитель имеет основные свойства: входные токи бесконечно малы; дифференциальное входное напряжение равно нулю, входное сопротивление и коэффициент усиления равны ∞.

Р ассмотрим наиболее распространенные импульсные устройства, ре­ализующиеся на основе ОУ.

Компаратор. Компаратором называют устройство, осуществляющее сравнение измеряемого входного напряжения (Uвх) с опорным напряжением (Uоп). В качестве компаратора часто используют ОУ с разомкнутой ОС (рис. 3.2.1). На вход “–“ компаратора подается входной сигнал Uвх, на его вход “+” - опорный сигнал Uоп. В момент равенства напряжений Uвх и Uоп компаратор находится в неустойчивом линейном режиме. При превышении входным сигналом Uвх значения опорного напряжения Uоп выходное напряжение компаратора изменяется от + Uвх до –Uоп. Переключение компаратора происходит с некоторой задержкой, которая определяется временем перезаряда паразитных емкостей ОУ. При Uоп = 0 компаратор фиксирует момент перехода входного напряжения через нулевой уровень. В этом режиме компаратор получил название “нуль-компаратор”. Если напряжения Uвх и Uоп превышают максимально допустимые для данного типа ОУ уровни входных сигналов, на входе компаратора устанавливают делители напряжения.

Компараторы нашли широкое применение в преобразователях аналоговых сигналов в цифровые.

Инвертирующий сумматор. Инвертирующий сумматор осуществляет суммирование входных сигналов (рис. 1.2.2). Благодаря свойствам идеального ОУ, ток от источников сигнала на его вход “–“ не ответвляется и через цепь ОС протекает сумма токов всех источников: I₁ + I₂ = 13 .Кроме того, разность напряжений между входами ОУ равна нулю и напряжение в точке А так же равно нулю: Uвх₁/R1 + U вх₂/R2 = –Uвых/R3. Если выбрать номиналы резисторов R1 = R2 = R, то выходное напряжение будет определяться соотношением: Uвых = – (R3/R)( Uвх₁ + Uвх₂). Наиболее часто инвертирующие сумматоры используются в качестве усилителя с широким диапазоном изменения нулевой точки. При подаче на входы инвертирующего сумматора постоянного и переменного синусоидального напряжений на выходе устройства будет сформирован усиленный синусоидальный сигнал, имеющий постоянную относительно общего провода составляющую.

Триггер Шмитта. Триггер Шмитта – устройство, обладающее двумя устойчивыми состояниями (рис. 1.2.3). Триггер Шмитта как правило выполняется на основе ОУ с положительной ОС. Триггер Шмитта обладает так называемой гистерезисной передаточной характеристикой. Переход триггера Шмитта из одного устойчивого состояния, характеризуемого выходным напряжением + Uвых, в другое устойчивое состояние с выходным напряжением – Uвых и возврат его в исходное состояние осуществляется, при входных напряжениях Uвх, отличающихся от опорного напряжения Uоп на величину напряжения собственного порога срабатывания Uп, определяемого соотношением: Uп = Uн/2 = βUвых, где β = R1/(R1+R2) –коэффициент положительной ОС. Напряжение Uн = 2Uп является напря­жением гистерезиса триггера Шмита. Наличие гистерезиса в триггере Шмитта позволяет повысить помехоустойчивость устройства при обработке входного сигнала на фоне помех.

Если опорное напряжение на входе триггера Шмитта отсутствует (Uоп = 0), устройство переключается из одного устойчивого состояния в другое устойчивое состояние по собственному порогу.

Из-за наличия большого коэффициента усиления и гистерезисной передаточной характеристики триггеры Шмитта нашли широкое применение в качества преобразователей напряжения. При подаче на вход “–“ триггера Шмитта напряжения синусоидальной формы на выходе устройства будет сформировано напряжение прямоугольной формы. Варьируя величину опорного напряжения Uоп, можно в широких пределах изменять скважность выходных импульсов напряжения триггера Шмитта. При Uоп = 0, скважность этих импульсов напряжения равна Q = 2 (рис. 1.2.4). Автогенераторный мультивибратор. Автогенераторный мультивибратор предназначен для генерирования прямоугольных импульсов напряжения. Он обладает двумя неустойчивыми состояниями, работает в режиме самовозбуждения и не требует внешнего входного сигнала. В качестве автогенераторного мультивибратора обычно используют ОУ с положительной ОС и время задающей RC цепью, подключенной к инвертирующему входу устройства (рис. 1.2.5). Работа; автогенераторного мультивибратора обеспечивается цепью положительной ОС приводящей к лавинообразному переходу из одного состояния в другое, и цепью отрицательной ОС, определяющей период возникающих колебаний. Когда потенциал на входе “–“ автогенераторного мультивибратора достигнет значения – UвыхR1/(R1+R2) устройство переключается и его выходное напряжение скачком изменяет своё значение с –Uвых до +Uвых. При этом потенциал на инвертирующем входе устройства начинает изменяться в противоположную сторону, пока не достигнет значения +UвыхR1/(R1+R2). Автогенераторный мультивибратор переключается в первоначальное состояние (рис. 1.2.5). Частота колебаний выходного напряжения автогенераторного мультивибратора определяется соотношением: f = 1/2RCℓn(1+2R1/R2).

Ждущий мультивибратор формирует на выходе прямоугольный импульс напряжения определенной длительности при воздействии на вход схемы короткого запускающего импульса (рис. 1.2.6). В отличии от автогенераторного мультивибратора ждущий мультивибратор содержит дополнительно цепь сме­щения (резистор R2) и цепь запуска (конденсатор С2, резистор R и диод VD 1). При отсутствии на входе “+” ждущего мультивибратора запускающего импульса Uз его выходное отрицательное напряжение определяется положительным напряжением Е источника питания, поступающим через резистор R2 на вход “–“ устройства. При подаче на вход “–“ ждущего мультивибратора запускающего импульса Uз его выходное напряжение скачком принимает значение +Uвых, которое поддерживается за счет цепи положительной ОС (резисторы R1 и R4). При этом начинается заряд конденсатора С1 и напряжение U1 на входе “+” устройства увеличивается (рис. 3.2.6б). В момент достижения равенства напряжений U1 = U2 происходит скачкообразное изменение выходного напряжения ждущего мультивибратора и последний переходит в исходное состояние.

И нтегратор. Интегратором называется устройство, выходное напряжение которого определяется выражением Uвых = K Uвхdt + U₀ (t=0),

где К — постоянный коэффициент; U₀ (t=0) - постоянная составляющая определяющая начальное условие интегрирования (рис. 1.2.7). Точное аналоговое интегрирование может быть осуществлено ОУ с емкостной ОС. Благодаря большому коэффициенту усиления и малому входному току напряжение на входе “–“ ОУ близко к нулю, а токи во входной цепи и цепи ОС приблизительно равны. При этом:

Uвых(t) = –(1/RC) Uвхdt.

П ри подаче на вход интегратора постоянного положительного напряжения + Uвх, выходное напряжение Uвых будет линейно возрастать по абсолютной величине от 0 до –Uвых (рис. 1.2.76). Варьируя номиналы элементов RС, можно изменять постоянную времени интегратора. Как правило, в интегратор вводят ключ К, замыкая который быстро разряжают конденсатор С.

Если ко входу интегратора приложить постоянное положительное напряжение и периодически разряжать конденсатор С путем подачи на вход управления ключа К коротких импульсов напряжения, на выходе устройства будут сформированы импульсы напряжения пилообразной формы (рис. 1.2.8a).

Подавая на вход устройства напряжения различной формы, на выходе интегратора можно сформировать напряжение со сложным законом изменения во времени. Если на вход устройства подать периодическое знакопеременное напряжение прямоугольной формы, конденсатор C будет периодически заряжаться и разряжаться, и на выходе интегратора будет сформировано напряжение треугольной формы (рис. 1.2.8б).

1.2.3. Краткое описание применяемого оборудования.

Лабораторная работа выполняется на настольном универсальном стенде, включающем несколько источников входного напряжения контрольно-измерительные приборы и органы управления (рис. 1.2.9). На лицевой панели стенда расположёны измерительные стрелочные приборы 1 и 2 для определения абсолютной величины соответственно входного и выходного напряжений исследуемых схем, переключатель 3 входного напряжения изме­рительного стрелочного прибора 1, потенциометры 4 и 5 установки величины постоянного напряжения регулируемых источников, светодиодные индикаторы 6 и 7 полярности измеряемых постоянных напряжений, переключатели 8 и 9 режимов работы регулируемых источников, функциональные зоны 10, 11, 12, 13 и 14 исследуемых схем с органами управления, сменная панель 15 с условным изображением исследуемой схемы, глазок 16 цифрового индикатора электронного секундомера и выключатель 17 стенда. В качестве дополнительного контрольно-измерительного прибора используется электронный осциллограф.

1.2.4. Изложение методики проведения лабораторной работы № 10.

1.2.4.1. Ознакомиться с описанием универсального стенда.

1.2.4.2. Исследовать компаратор, для чего установить сменную панель № 1.1. Поставить в функциональной зоне 10 переключатель в положение "К".

Примечание. Здесь и далее номера переключателей, функциональных зон, измерительных приборов и индикаторов указаны в соответствии c рис. 1.2.8.

1 .2.4.3. Установить переключатель 3 в положение "вх.2", а пере­ключатели 8 и 9 - в положение " ". Включить стенд тумблером "СЕТЬ". С помощью потенциометра 5 установить на входе "+" компаратора напряжения

Uоп = +1 В, контролируя его по измерительному, стрелочному прибору 1.

1.2.4.4. Установить переключатель 3 в положение "вх.1" последовательно устанавливая потенциометром 4 на входе "–" компаратора значения напряжения Uвх, равные – 3 В; 0 В; +0,9 В; +1,1 В; +3 В, исполь­зуя показания измерительных стрелочных приборов 1, 2 и индикаторов 6, 7, определить передаточную характеристику Uвых = f (Uвх) исследуемой схемы. Результаты экспериментов занести в таблицу 1 отчета. Выключить стенд тумблером "СЕТЬ".

1 .2.4.5. Исследовать инвертирующий сумматор, для чего установить сменную панель № 3. Поставить в функциональной зоне 12 переключатель в положение "R4". Установить переключатель 9 в положение "~", переключатель 3 остается в положении "вх.1", переключатель 8 остается в положении " ". Включить стенд и осциллограф соответствующими тумблерами "СЕТЬ". Используя показания измерительных стрелочных приборов 1, 2 и индикаторов 6, 7, последовательно устанавливая потенциометром 4 на входе 1 инвертирующего сумматора значения напряжения Uвх1 равные +0,5 В; 0 В; – 0,5 В; – 1,5 В, снять осциллограммы входных (гнезда "1", "" и "2", "") и выходных (гнезда "3", "") напряжений исследуемой схемы. Результаты экспериментов занести в отчет. Включить стенд тумблером "СЕТЬ".