2. Порядок виконання роботи.
Завантажити середовище Electronics Workbench.
Відкрити файл comparat1.ewb.
Ввімкніть схему. Замалюйте отримані осцилограми вхідної Uвх і вихідної Uвих напруг. По осцилограмам визначите значення граничних напруг.
Відкрити файл comparat.ewb. І повторити пункт 3.
3. Зміст звіту.
1. Назва і мета роботи.
2. Короткі теоретичні відомості.
3. Отримані в результаті виконання осцилограми і значення отриманих напруг.
Висновки.
4. Контрольні питання.
1. Які особливості застосування ОП в схемах компараторів?
2. Перерахуйте способи побудови схем детекторів позитивного рівня вхідної напруги.
3. Чим визначається точність завдання порогів вхідної напруги в схемах детекторів рівня на основі ОП?
4. На чому заснована робота компаратора з фіксованою зоною вхідної напруги?
Лабораторна робота №5
Тема: «Масштабуючі перетворювачі»
Мета роботи: Вивчити принцип роботи масштабуючого пристрою. Провести дослідження схеми за допомогою програми Electronics Workbench.
1. Короткі теоретичні відомості.
Масштабуючі перетворювачі застосовуються для приведення вихідного сигналу первинного вимірювального перетворювача (датчика) до стандартного рівня для подальшого перетворення в цифрову форму й обробці в мікропроцесорних системах чи керування виміру. Такі перетворювачі власне кажучи є підсилювачами, що переважно виконуються на ОП в інтегральному виконанні, при цьому найчастіше використовуються три схеми включення ОП, показані на рис.1.
Рис.1
Підсилювач на рис.1, а) називається инвертуючим по тій причині, що на його виході сигнал знаходиться в протифазі з вхідним. Його коефіцієнт підсилення по постійному струмі в першому наближенні визначається формулою Kn=R3/Rl, а в діапазоні частот
(1)
де гр — гранична частота ОП за рівнем 0,707До.
Коефіцієнт підсилення по постійному струмі підсилювача, що неінвертує, (рис.1,б) у першому наближенні дорівнює Кін=1+R3/R1; а в діапазоні частот визначається вираженням (1). Часткою случаємо підсилювача, що неінвертує, є повторювач напруги (рис.1,в) з одиничним коефіцієнтом передачі; він має дуже високий вхідний опір і використовується для узгодження високоомних датчиків з наступними низькоомними перетворювачами.
Однієї з важливих характеристик підсилювачів є їхні частотні характеристики. Для порівняння характеристик різних підсилювачів на ОП скористаємося схемою на рис.2,а) яка містить ОУ МС1456, функціональний генератор і вимірювач амплітудно-частотних і фазо-частотних характеристик (АЧХ-ФЧХ). Для оцінки робочого діапазону частот підсилювача на ОП вимірюють його АЧХ і визначають верхню граничну частоту за рівнем 0,707, що відповідає спаду посилення на -3 дб. З АЧХ підсилювача на ОП МС1456 (рис.2,б) видно, що діапазон частот за рівнем -3 дб складає О...380 кгц.
Дуже важливими характеристиками ОП є зсув нуля і паразитні вхідні струми. Ці параметри визначають “точностные” характеристики таких пристроїв як аналогові обчислювальні машини, різноманітна вимірювальна техніка і т.п.
а) Підсилювач б) АЧХ
Рис.2
Для підсилювача, що інвертує, вихідна напруга, викликана напругою зсуву нуля Vos визначається вираженням:
(2)
а викликане вхідними струмами 1bc; і їхньою різницею Ioff — відповідно вираженнями:
(3)
і (4) відповідно
де значок ¦¦ означає рівнобіжне включення опорів, Ri — вхідний опір ОП.
Різноманіття підсилювальних пристроїв на ОП не вичерпується розглянутими вище схемами і визначається видом використовуваного зворотного зв'язку. У загальному випадку зворотним зв'язком в електронних підсилювачах називають зв'язок, що забезпечує передачу сигналів з вихідних ланцюгів підсилювача у вхідні. Вихідний сигнал підсилювача у виді чи напруги струму через ланцюг зворотного зв'язку чи частково цілком надходить на вхід, де відбувається вирахування (чи додавання) вхідного сигналу і сигналу зворотного зв'язку. Таким чином, на вхід підсилювача буде надходити сигнал, дорівнює чи різниці сумі вхідного сигналу і сигналу зворотного зв'язку. Як ланцюги зворотного зв'язку звичайно використовують пасивні ланцюги, частотні характеристики яких істотно впливають на властивості підсилювального пристрою в цілому.
Приведемо визначення деяких найбільш розповсюджених термінів, використовуваних у теорії підсилювачів зі зворотним зв'язком. Петлею зворотного зв'язку називають замкнутий контур, що включає в себе ланцюг зворотного зв'язку і частина підсилювача між точками підключення зворотного зв'язку. Місцевим зворотним зв'язком (місцевою петлею зворотного зв'язку) прийнято називати зворотний зв'язок, що охоплює окремі чи каскади частини підсилювача. Загальним зворотним зв'язком називають такий зворотний зв'язок, що охоплює весь підсилювач. Зворотний зв'язок називають негативної, якщо вона зменшує коефіцієнт підсилення, і позитивної, якщо збільшує.
Елементи зворотного зв'язку завжди існують у будь-яких підсилювачах, навіть якщо їхній не створюють штучним шляхом. Вони обумовлені наявністю ємнісних, індуктивних і гальванічних зв'язків і називаються паразитними. Такі зворотні зв'язки важко піддаються розрахунку і при неправильному проектуванні і монтажі підсилювача можуть привести до його самозбудження.
У схемній реалізації підсилювача і ланцюга зворотного зв'язку можливі варіанти, коли зворотний зв'язок існує або тільки для повільно змінюється складової вихідного сигналу, або тільки для перемінної складовий, або для довільних значень. У цих випадках говорять, що зворотний зв'язок здійснюється по постійному струмі, по перемінному струмі, як по постійному, так і по перемінному струмі.
У залежності від способу формування сигналу зворотного зв'язку розрізняють: зворотний зв'язок по напрузі, коли сигнал зворотного зв'язку пропорційний вихідній напрузі; зворотний зв'язок по струму, коли сигнал зворотного зв'язку пропорційний вихідному струму; комбінований зворотний зв'язок, коли сигнал зворотного зв'язку пропорційний як напрузі, так і току вихідного ланцюга.
По способі уведення у вхідний ланцюг сигналу ЗЗ розрізняють: послідовну (напруга сигналу ЗЗ підсумовується з вхідною напругою), рівнобіжну (струм ланцюга ЗЗ підсумовується зі струмом вхідного сигналу) і змішану (із вхідним сигналом підсумовуються струм і напруга ланцюга ЗЗ).
Для кількісної оцінки ступеня впливу ланцюга зворотного зв'язку використовують коефіцієнт зворотного зв'язку р, що показує, яка частина вихідного сигналу надходить на вхід підсилювача; наприклад, для підсилювача, що інвертує, на рис.1,a В=Rl/R3.
Розглянемо, як змінюються основні параметри підсилювача при введенні ЗЗ.
Коефіцієнт підсилення. При позитивному зворотному зв'язку вхідний сигнал і сигнал ЗЗ підсумовуються і коефіцієнт підсилення підсилювача визначається вираженням: K=Ko/(l-BKo), де До — коефіцієнт підсилення підсилювача без зворотного зв'язку (параметр А в діалоговому вікні ОП). Добуток BКo називають петлевим підсиленням, а (1-BKo) — глибиною зворотного зв'язку.
Значення петлевого підсилення при позитивному зворотному зв'язку обмежено умовою BКo<1. При BКo>>1 підсилювач стає автогенератором і не може розглядатися як підсилювач, тому що вихідний сигнал перестає бути однозначно залежним від вхідного. Якщо BКo>1, то будь-який вхідний сигнал, викликаний чи наведеннями коливаннями параметрів активних елементів, підсилиться і повернеться на вхід підсилювача рівним чи більше вхідного. Підсумовуючись з ним, він викликає появу більшого вихідного сигналу, що, у свою чергу, підсумовується з вхідним і викликає подальше збільшення вихідного сигналу. У підсумку будь-який сигнал, що виник у лінійному підсилювальному ланцюзі, охопленої позитивним ЗЗ, викликає поява вихідного сигналу, значення якого наростає і прагне до нескінченності. У реальному підсилювачі таке посилення неможливе через обмеження вихідного сигналу. У результаті буде не "нескінченно" велике посилення, а виникнення незатухаючих коливань. Форма коливань залежить від параметрів ланцюга зворотного зв'язку і коефіцієнта підсилення підсилювача.
Тому що сигнал позитивної ЗЗ підсумовуються з вхідним сигналом, та додатковою умовою виникнення автоколивань є нульове зрушення фази між цими сигналами. Таким чином, якщо на якійсь частоті виконуються умови BКo>1 і фаза ф=0°, то підсилювач самозбуджується, причому, якщо ці умови виконуються тільки на одній частоті, то сигнал автоколивань буде мати синусоїдальну форму. Якщо умови самозбудження виконуються в смузі частот, вихідний сигнал буде мати несинусоїдальну форму.
Якщо чи підсилювач ланцюг ЗЗ вносить фазове зрушення, рівний 180°, то вхідний сигнал і сигнал зворотного зв'язку віднімаються друг із друга й ЗЗ стає негативним. Коефіцієнт підсилення підсилювача зі зворотним зв'язком у цьому випадку К=Ко/(1+BКo). Оскільки для підсилювача, що інвертує, на рис.1,a B=Rl/R3, то формула K=R3/R1 для розрахунку посилення на постійному струмі справедлива тільки при BКo>>1. Ця умова є необхідним і для співвідношень, використаних нами при аналізі сумматоров, інтеграторів і інших розглянутих нижче пристроїв.
Відносна зміна коефіцієнта підсилення підсилювача, охопленого негативним ЗЗ, викликана відносною зміною коефіцієнта підсилення самого підсилювача, зменшується в (1+BКo) раз. Зміни параметрів ланцюга зворотного зв'язку істотно впливають на коефіцієнт підсилення підсилювача, тому до їхньої стабільності висувають підвищені вимоги. Наприклад, підсилювач має параметри Ко =104, B= 0,1; К = 9,990. У результаті старіння елементів і зміни напруги харчування коефіцієнт підсилення підсилювача зменшився в два рази і став рівним К=5.103. Тоді відносна зміна коефіцієнта підсилення підсилювача складе всього 0,2%. Зміна ж у два рази коефіцієнта зворотного зв'язку (B=0,05) приведе до зміни коефіцієнта підсилення на 50%.
Таким чином, якщо виконується умова BКо>>1, то можна вважати, що Ко не буде залежати від параметрів підсилювача і буде приблизно дорівнює 1/B. Якщо ланцюг негативного зворотного зв'язку вносить невеликі фазові зрушення, то при BКo>>1 фазове зрушення підсилювача істотно зменшується і визначається в основному фазовим зрушенням ланцюга зворотного зв'язку.
Вихідний опір підсилювача залежить від того, яким чином вводиться ЗЗ. Якщо негативний ЗЗ вводиться по напрузі, то вихідний опір зменшується, якщо по струму -— збільшується.
Введення ЗЗ широко використовується для цілеспрямованої зміни вихідного опору і дозволяє реалізувати підсилювачі з дуже малими (соті частки ом) і дуже великими (сотні — тисячі мегом) вихідними опорами. При введенні ЗЗ по напрузі підсилювач наближається до ідеального джерела напруги, вихідний сигнал якого мало змінюється при різних опорах навантаження. ЗЗ по струму стабілізує струм навантаження, наближаючи підсилювач до ідеального джерела струму.
Вхідний опір також залежить від способу уведення у вхідний ланцюг сигналу ЗЗ. При її відсутності вхідний опір визначається вхідними напругою і струмом підсилювача. При послідовній схемі введення ЗЗ вхідний опір збільшується в (1+BКо) раз при негативному зворотному зв'язку і зменшується в (1-BКo) раз при позитивній.
Введення рівнобіжного ЗЗ еквівалентне включенню паралельно вхідному опору підсилювача додаткового опору, у результаті чого вхідний опір зменшується як при негативної, так і при позитивного ЗЗ. При великих Ко і малому опорі в ланцюзі зворотного зв'язку вхідний опір може скласти десяті і тисячні частки Ом.
Таким чином, застосування ЗЗ дозволяє керувати значенням вхідного опору і забезпечувати як досить високі (десятки — тисячі мегом), так і дуже малі (десяті — тисячні частки ом) його значення.