Лабораторная работа №4 Исследование частотных характеристик усилителя Цель работы: исследование амплитудно-частотной характеристики усилителя.

Задание:

1. Исследования в системе моделирования Electronics Workbench

2. Получить частотную характеристику усилителя в режиме моделирования анализа по переменному току и исследовать влияние на нее емкостных элементов в схеме усилителя.

3. Определить время нарастания выходного сигнала усилителя использованием измерительных возможностей осциллографа и исследовать влияние на него емкостных элементов в схеме усилителя.

Краткие сведения из теории

Из-за присутствия емкостных элементов в схеме усилителей или из-за паразитных емкостей в них возникают так называемые частотные искажения (или по другому, линейные искажения). Напоминаем, что искажения, обусловленные неудачным заданием рабочей точки по постоянному току, назывались нелинейными искажениями. Частотные искажения усилителя выражаются в том, что синусоидальные сигналы различных частот усиливаются в нем по разному, т.е. коэффициент усиления не остается постоянным во всем диапазоне частот.

Частотные свойства усилителя характеризуются его амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). По этой характеристике определяются полоса пропускания усилителя и его нижний и верхний границы. Основное влияние на отклик усилителя в низкочастотной области оказывают разделительные и блокирующие конденсаторы, а при высоких частотах – емкостные свойства транзисторов и различные паразитные емкости, присутствующие в схеме.

Частотные искажения усилителя проявляются в неадекватном изменении формы сложных сигналов (например, прямоугольных импульсов) на его выходе, т.е. несоответствием форм входного и выходного сигналов. Это свойство усилителя характеризуется временем нарастания его выходного сигнала при подаче на его вход прямоугольных сигналов.

Порядок выполнения работы

1) Соберите схему, изображенную на (рис.1). Установите синусоидальное напряжение генератора с амплитудой 1 В.

2) Устанавливая представленные в таблице 1 значения частот входного сигнала, запишите в таблицу амплитудные значения выходного сигнала усилителя.

Таблица 1

F,kHz	0.02	0.1	0.2	0.5	1	2	5	10	20	50	100
U, V
Ku

3)По полученным данным постройте АЧХ усилителя в виде зависимости K_u = f (F) и определите нижние и верхние границы F_L и F_u (lower, upper) полосы пропускания. При построении АЧХ по горизонтальной оси выберите логарифмический масштаб, что позволит сжать график.

4) Отсоедините конденсатор С₃ для включения отрицательной обратной связи (ООС) по переменному току. Устанавливая представленные в таблице 2 значения частот входного сигнала, запишите в таблицу амплитудные значения выходного сигнала усилителя.

Таблица 2

F,kHz	0.02	0.1	0.2	0.5	1	2	5	10	20	50	100
U, V
Ku

5) По полученным данным усилителя с ООС по переменному току постройте соответствующую АЧХ.

Сравните полученные результаты.

6) Установить генератор на формирование прямоугольного сигнала и повторить пп.1-5. Результаты поместить в соответствующие таблицы.

Рисунок 1 – Схема усилителя с ОЭ

Содержание отчета

- цель работы;

- схема;

- АЧХ при синусоидальном сигнале с ООС и без нее;

- АЧХ при периодическом сигнале прямоугольной формы с ООС и без нее;

- выводы

Контрольные вопросы:

1. Поясните причины появления нелинейных искажений в усилителе?

2. Каким параметром характеризуется нелинейные искажения?

3. Чем обусловлены частотные искажения выходного сигнала усилителя?

4. Как классифицируются усилители по частотным характеристикам?

5. Каково назначение конденсаторов С₁,С₂ и С₃ в схеме усилителя?

Лабораторная работа №5

Исследование аналогового компаратора

Цель работы: изучение работы аналогового компаратора в режиме сравнения и генератора прямоугольных импульсов.

Задание: снять входные и выходные харатеристики в двух режимах (режим сравнение и режим генератора).

Схема лабораторной установки

Рисунок 1 – Схема лабораторной установки

Порядок выполнения

Режим сравнения

1) Нажатием клавиши «Пробел», перевести с помощью контакта реле Space схему компаратора в режим сравнения (рис.2).

2) Изменяя постоянного напряжение U_вх от источника, подаваемого на инвертирующий вход ОУ, от 1 до 3,5 В с шагом 0,5В, снять напряжение выхода U_вых.

3) Результаты занести в таблицу и построить переходную характеристику компаратора.

Рисунок 2 – Режим сравнения при U_вх =3,4 В

Режим генератора

1) Нажатием клавиши «Пробел», перевести с помощью контакта реле Space схему компаратора в режим генератора (рис.1).

2) Изменяя синусоидальное напряжение U_вх от генератора, подаваемого на инвертирующий вход ОУ, от 3,0 до 4,0 В с шагом 0,5В, снять 3 осциллограммы напряжения выхода U_вых (рис.3).

3) Изменяя частоту синусоидального напряжения с амплитудой U_вх=4В от генератора, подаваемого на инвертирующий вход ОУ, от 500 до 1000 Гц с шагом 250, снять 3 осциллограммы напряжения выхода U_вых.

Рисунок 3 – Временная диаграмма компаратора в режиме генератора

4. Содержание отчета

Контрольные вопросы:

1). Принцип работы компаратора в режиме сравнения?

2). Принцип работы компаратора в режиме генератора прямоугольных импульсов?

3). Как изменить скважность прямоугольных импульсов?

Лабораторная работа №6

Исследование схем аналоговой обработки сигналов на базе операционного усилителя

Цель работы: Ознакомление с основными параметрами, передаточными характеристиками линейных аналоговых схем на базе интегральных операционных усилителей с помощью программной среды Electronics Workbench 5.12.

Задание

1. Снять временные характеристики U_вх(t), U_вых(t) сумматора при К = 1; 10; 100.

2. Снять временные характеристики интегратора на ОУ при U_вх = 1В и следующих номиналах элементов схемы:

3. а) R_вх = 1 МОм, С = 2 мкФ

4. б) R_вх = 1 МОм, С = 4 мкФ

5. Снять амплитудно-частотную характеристику интегратора.

6. Снять временные характеристики дифференциатора на ОУ.

7. Снять амплитудно-частотную характеристику дифференциатора с R₁ и без R₁.

Расчетное задание

8. Определить постоянную интегрирования интегратора

9. Рассчитать относительную погрешность интегратора при С = 0,01 мкФ,  = 1,5 10^-4, R = 100 кОм и f = 10 Гц.

Методические указания к выполнению работы

10. Собрать схему инвертирующего сумматора, приведенную на рисунке 3.1. Номиналы сопротивлении выбирайте в соответствии с желаемым коэффициентом усиления.

Рисунок 3.1 – Схема сумматора на ОУ

11. Снять временные характеристики инвертирующего сумматора для различных коэффициентов усиления. Передаточную функцию инвертирующего сумматора можно записать в виде: U_вых = - .

– коэффициент усиления по каждому входу.

12. С обрать схему интегратора, представленную на рисунке 3.2. На вход интегратора подаете сигнал от функционального генератора с амплитудой 2В, частота 0,1 Гц. Снять временные и амплитудно-частотные характеристики интегратора при различных номиналах RC. Амплитудно-частотная характеристика снимается с помощью плоттера, его условное обозначение выглядит следующим образом:

Рисунок 3.3 – Схема интегратора на ОУ

13. Собрать схему дифференциатора, представленную на рисунке 3.3 (а). На вход дифференциатора подать пилообразный сигнал с амплитудой 1В и частотой 100Гц, с помощью осциллографа и плоттера снять временные и амплитудно-частотные характеристики.

б)

Рисунок 3.3 – Схемы дифференциатора на ОУ

Методическое указание к расчетному заданию

К п. 3.1 Постоянную интегрирования  можно определить из следующего выражения (при U_вх = const):

где t – время интегрирования

К п. 3.2 Относительную погрешность реального интегратора можно определить по формуле:

,

где – коэффициент передачи идеального интегратора,

К_р – коэффициент передачи реального интегратора,

_ос = R_осуС – постоянная времени цепи утечки,

1/К – учитывает ошибку из-за ограниченного К операционного усилителя.

Сопротивление утечки определяется:

, где  - коэффициент характеризующий сопротивление утечки.

Контрольные вопросы:

1. Где применяются аналоговые схемы обработки сигналов, какие типы линейных АС вы знаете?

2. Каким требованиям должен удовлетворять ОУ используемый в аналоговых схемах?

3. Что такое интегратор и дифференциатор?

4. Начертите схему сумматора на 3 входа для реализации функции U_вых = - (U₁ + 4U₂ + 2U₃).

5. Как экспериментально определить постоянную интегрирования ?

6. Как определить погрешности интегратора?

7. Поясните работу вычитающего сумматора.

8. Чем ограничивается линейный диапазон передаточной характеристики АС?

9. Чем определяется погрешность операций суммирования?

10. Выведите уравнения для передаточной функции интегратора, дифференциатора.