Лабораторна робота 2

«Дослідження аналогових схем на операційних підсилювачах»

2.1 Мета роботи – вивчення побудови, принципу дії та характеристик типових лінійних ланцюгів на операційних підсилювачах.

2.2 Основні теоретичні положення

Приклади передавальних характеристик ОП при інвертуючому та неінвертуючому вмиканнях показані на рис. 2.1.

Рисунок 2.1 – Передавальні характеристики ОП

Кожна вихідна характеристика має горизонтальні та скісну ділянки. Горизонтальні ділянки відповідають режимам повністю відкритого чи закритого транзистора вихідного каскаду (режимам насичення ОП). При зміні напруги вхідного сигналу на цих ділянках вихідна напруга підсилювача залишається незмінною. Коефіцієнт підсилення визначається на скісних ділянках.

Стан, за якого U_ВИХ = 0 при U_ВХ = 0, називається балансом ОП. Однак за реальних умов ідеально збалансувати ОП неможливо, тому завжди присутній деякий розбаланс.

Вхідна напруга, за якої U_ВИХ = 0 має назву напруги зміщення нуля. Вона визначає напругу, яку необхідно подати на вхід підсилювача для створення балансу.

Інвертуючий підсилювач, схему якого зображено на рис. 2.2, змінює знак вихідного сигналу відносно вхідного. Він створюється введенням паралельного негативного зворотного зв’язку за допомогою резисторів R3, R4 на інвертуючий вхід ОП. Таким чином на цей вхід подається частина вихідного сигналу з дільника R3, R4, R2, R1. Неінвертуючий вхід з’єднується із спільною точкою схеми.

Неінвертуючий підсилювач, схема якого зображена на рис. 2.2, можна отримати, якщо ввести послідовний негативний зворотній зв’язок за напругою на інвертуючий вхід, а вхідний сигнал подати на неінвертуючий вхід ОП.

Неінвертуючий та інвертуючий підсилювачі широко використовуються як високостабільні підсилювачі різного призначення. Причому, неінвертуючий має великий вхідний опір і використовується для підсилення сигналів джерел із високим вхідним опором.

Фільтр нижчих частот (ФНЧ) підсилює сигнал у діапазоні нижчих частот, та подавляє сигнал у всіх інших діапазонах. Фільтр вищих частот (ФВЧ) навпаки підсилює сигнал на вищих частотах та подавляє його у всьому іншому діапазоні. Полосовий фільтр (ПФ) підсилює сигнал лише у деякому дуже вузькому діапазоні.

Основними параметрами фільтрів є: коефіцієнт передачі фільтра К та гранична частота (частота зрізу) f_ГР .

Рисунок 2.2 – Амплітудно-частотні характеристики фільтрів

Зрозуміти роботу кожного типу фільтра допомагає його амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) (рис. 2.2)

2.3 Попереднє завдання

2.3.1 Вивчити принцип побудови та характеристики типових лінійних схем з використанням інвертуючого і неінвертуючого входів операційного підсилювача. Уміти записати формули їх коефіцієнтів передач.

2.3.2 Накреслити електричні схеми досліджуваних електронних пристроїв.

2.3.3 Накреслити таблиці для експериментальних даних.

2.4 Завдання для експериментальних досліджень

2.4.1 Виконати дослідження передавальної характеристики неінвертуючого підсилювача та знайти коефіцієнт підсилення.

2.4.2 Виконати дослідження передавальної характеристики інвертуючого підсилювача та знайти коефіцієнт підсилення.

2.4.3 Виконати дослідження суматора

2.4.4 Виміряти та побудувати амплітудно-частотну характеристику фільтра нижчих частот першого порядку.

2.4.5 Виміряти та побудувати амплітудно-частотну характеристику фільтра вищих частот першого порядку.

2.4.6 Виміряти та побудувати амплітудно-частотну характеристику смугового фільтра.

2.4.7 Виміряти коефіцієнт підсилення в смугах пропускання та граничні частоти смуги пропускання фільтрів нижчих та вищих частот, а також резонансну частоту смугового фільтра. Результати експериментів порівняти з розрахунками.

2.5 Порядок виконання експериментальних досліджень

2.5.1 Встановити на стенд накладну панель за номером чотири. На панелі управління натиснути з таким же номером кнопку перемикача «Номер роботи» та включити стенд.

2.5.2 Для побудови передавальної характеристики неінвертуючого підсилювача (рис. 2.3) виконують вимірювання його вихідної напруги U_ВИХ при зміні величини U_ВХ. Ручкою «Е1» змінюють вхідну напругу від -U_ВХ.MAX до +U_ВХ.MAX. Вимірювання U_ВХ та U_ВИХ здійснюють цифровим вольтметром на сигнальних гніздах Х1, Х6. Результати вимірів заносять у таблицю 2.1.

Таблиця 2.1 - Результати вимірів віхідної напруги

UВХ, В
UВИХ, В

За результатами вимірів будують графік передавальної характеристики. За лінійною частиною графіка розраховують величину коефіцієнта підсилення

К_Н.Е= ΔU_вих/ΔU_вх. (2.1)

Одержаний експериментальним шляхом коефіцієнт підсилення порівнюють з його розрахунковою величиною

(2.2)

де R1=10 кОм; R2=20 кОм.

Дати пояснення похибки ∆К= К_Н.Е - К_Н.Р.

2.5.3 Для побудови передавальної характеристики U_ВИХ=f(U_ВХ) інвертуючого підсилювача (див.рис.2.4) з’єднують між собою сигнальні гнізда Х2 та Х7. Вхідну напругу U_ВХ регулюють у діапазоні від -U_ВХ.MAX до +U_ВХ.MAX ручкою «Е1». Виміряють вхідну та вихідну напруги цифровим вольтметром на гніздах Х1, Х9. Залежність U_ВИХ=f(-U_ВХ) виміряють для двох положень перемикача S1. Результати вимірів заносять у таблицю 2.2.

Таблиця 2.2 - Результати вимірів вихідної напруги для двох випадків

UВХ, В
UВИХ.1, В S1 розімк.
UВИХ.2, В S1 замк.

За результатами вимірів будують графіки передавальних характеристик. За лінійною частиною графіків розраховують величини коефіцієнтів підсилення К_і1 та К_і2. Одержані експериментальним шляхом коефіцієнти підсилення порівнюють з розрахунковими величинами. Для розімкнутого стану перемикача S1 коефіцієнт підсилення розраховують як:

К_і1=-R4/R1; (2.3)

а для замкнутого:

К_і2=-R3·R4/( R3+R4) · R1, (2.4)

де R1=R2=10 кОм; R3=R4=50 кОм.

Дати пояснення похибки між експериментальними та розрахунковими результатами.

2.5.4 Дослідження суматора (рис.2.4) виконують подаючи на його входи напруги U1 та U2. Для цього з’єднують між собою гнізда Х2, Х7 та Х4, Х8. Ручками «Е1» та «Е2» встановлюють напруги для трьох варіантів:

1) U1=+1 В, U2=+1 В;

2) U1=+1 В, U2=-2 В;

3) U1=+2 В, U2=-3 В.

Перемикач S1 при вимірюваннях має замкнуте положення (для цього натискають кнопку S1). Цифровим вольтметром контролюють вихідну напругу U_ВИХ на сигнальному гнізді Х9 для кожного з наведених варіантів і порівнюють з результатами розрахунків

(2.5)

Рисунок 2.3 – Схема неінвертуючого підсилювача

Рисунок 2.4 – Схема інвертуючого підсилювача та суматора

Рисунок 2.5 – Схеми фільтрів

Розрахувати похибку ∆Uвих= Uвих.е – Uвих.р для всіх варіантів Uвх і дати пояснення причини її виникнення.

2.5.5 Амплітудно-частотну характеристику фільтра нижчих частот (див. рис.2.5, коли S2 та S3 замкнені) будують за результатами вимірів Uвих=F(f) за умови, що Uвх=const. Під час експерименту за допомогою ручки «Ег» підтримують Uвх=3 В, а його частоту змінюють у діапазоні від 0,08 кГц до 20 кГц перемикачем «кГц». Результати замірів заносять до таблиці 2.3

Таблиця 2.3 - Результати замірів вихідної напруги

Uвх=3 В
f, кГц
Uвих, В

Розраховують залежність коефіцієнта передачі фільтра К= Uвих/Uвх від частоти вхідного сигналу. За даними таблиці 3 будують амплітудно-частотну характеристику фільтра К=F(f), на якій помічають граничну частоту fгр. На цій частоті Кгр=0,707Ко, де Ко – коефіцієнт передачі фільтра для f=0 (для даного випадку f=0,08 кГц). Аналітично гранична частота (частота зрізу) полоси пропускання фільтру нижчих частот розраховується за формулою

fгр.н=1/2·π·R2·C2, (2.6)

де R2=9,1 кОм; С2=0,018 мкФ.

Коефіцієнт підсилення на частоті f=0 дорівнює Ко=R2/R1.

2.5.6 Побудову амплітудно-частотної характеристики фільтра вищих частот першого порядку виконують згідно методики, викладеної в пункті 2.5.5. При виконанні вимірів перемикачі S2 та S3 розімкнуті.

Розрахунки граничної частоти виконують за формулою

(2.7)

де R2=9,1 кОм; С2=0,018 мкФ.

2.5.7 Аналогічно будують амплітудно-частотну характеристику смугового фільтра. При цьому перемикач S2 розімкнуто, а перемикач S3 замкнуто. Резонансна частота смугового фільтра

(2.8)

2.6 Контрольні питання

2.6.1 Поясніть принцип дії інвертуючого підсилювача на операційному

підсилювачі.

2.6.2 Поясніть принцип дії неінвертуючого підсилювача на операційному

підсилювачі.

2.6.3 Дати визначення та пояснити принцип дії суматора?

2.6.4 Які функції виконує фільтр нижчих частот? Приклади застосування.

2.6.5 Які функції виконує фільтр вищих частот? Приклади застосування.

2.6.6 Які функції виконує смуговий фільтр? Приклади застосування.