ЛР1. ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерная школа неразрушающего контроля и безопасности

Отделение электронной инженерии

12.03.04 «Биотехнические системы и технологии»

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

по дисциплине

Узлы и элементы биотехнических систем

ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Вариант 10

Выполнил:

Студент группы _____________

Проверил:

Доцент ОЭИ _________________ Д.Н. Огородников

Томск - 2021

Цель работы: Изучение особенностей функционирования базовых схем, выполняемых на основе операционных усилителей (масштабирующие усилители, сумматор аналоговых сигналов), а также получение практических навыков проведения экспериментального исследования.

1. Исследование неинвертирующего усилителя

Предварительный расчет схемы неинвертирующего усилителя в соответствии с заданными значениями параметров в соответствии с вариантом:

K_U=20, R₂=100 кОм;

K_U=1+ ;

R₁=

;

R₃=

В программе Multisim собрана рассчитанная схема неинвертирующего усилителя.

Рис.1.1. – Схема неинвертирующего усилителя

Снимем сфазированные осциллограммы входного и выходного напряжения на

частоте 1кГц:

Рис.1.2. – Сфазированные осциллограммы входного и выходного напряжения

Построим амплитудную характеристику схемы:

Рис.1.3. – Амплитудная характеристика неинвертирующего усилителя

Определим динамический диапазон усиления и коэффициент усиления

на линейном участке:

Динамический диапазон усиления:

D_Y= ;

Коэффициент усиления на линейном участке:

K_U=

Построим амплитудно-частотную характеристику:

Рис.1.4. – АЧХ неинвертирующего усилителя

Для определения полосы пропускания усилителя, необходимо определить частоту, на которой коэффициент усиления будет в √2 раз меньше максимального коэффициента усиления - K_Uгр = 7,77;

Рис.1.4. – Определение полосы пропускания

Δf=108,02 кГц;

Рассчитаем схему неинвертирующего усилителя с единичным коэффициентом усиления: K_U=1; R₂=100 кОм;

K_U=1+ ;

R₁=

R₃=

Рис.1.7. – Схема неинвертирующего усилителя с единичным коэффициентом усиления

Снимем сфазированные осциллограммы входного и выходного напряжений:

Рис.1.8. – Сфазированные осциллограммы входного и выходного напряжения

Осцилограммы входного и выходного напряжений совпадают.

Реальный коэффициент усиления:

K_U=

Погрешность с теоретическим значением составляет менее 1%.

Рис.1.9. – Амплитудная характеристика неинвертирующего усилителя с единичным коэффициентом усиления

Динамический диапазон усиления:

D_Y=

2. Исследование инвертирующего усилителя

Предварительный расчет схемы инвертирующего усилителя в соответствии с заданными значениями параметров в соответствии с вариантом:

K_U=20, R₂=100 кОм;

K_U= – ;

R₁=

R₃=

Рис.2.1. – Схема инвертирующего усилителя

Сфазированные осциллограммы входного и выходного напряжений

Рис.2.2. – Сфазированные осциллограммы входного и выходного напряжения

Амплитудная характеристика схемы на частоте 1кГц:

Рис.2.3. – Амплитудная характеристика инвертирующего усилителя

Реальный коэффициент усиления схемы:

K_U= ;

Снимем и построим зависимость выходного напряжения от нагрузочного сопротивления

Таблица 1–Зависимость выходного напряжения

от нагрузочного сопротивления

R	100 кОм	10 кОм	1 кОм	390 Ом
U, В	12,91	12,909	12,894	11
I, мА	30,2	30,2	30,2	30,4

Рис.2.4.– Нагрузочная характеристика инвертирующего усилителя

R_вых=

R_{вых ос}=

β=

Рассчитаем схему неинвертирующего усилителя с единичным коэффициентом усиления: K_U=1; R₂=100 кОм;

K_U= – ;

R₁=

R₃=

R

Рис.2.5. – Осциллограммы входного и выходного напряжений

K_U= =

3. Исследование сумматора аналоговых сигналов

Расчет инвертирующего сумматора:

K_U1=20; K_U2=2; R₄=100 кОм;

K_U1= ; R₁=

K_U2= ; R₂=

+ ;

R₃=

Рис.3.1. Схема инвертирующего сумматора

Рис.3.2. Сфазированные осциллограммы входного и выходного напряжений

Определим экспериментальные значения K_U:

Рис.3.3. Определение K_U1 на частоте 10 кГц по АЧХ

K_U1=19,9;

Сравним теоретическое и экспериментальное значения K_U1:

σ= ‧100%=0,5%;

U₌=

K_U2= 1,98/1=1,98

σ= ‧100%=1%;

U_см=715,013 мкВ;

Вывод: В ходе выполнения лабораторной работы было исследованы неинвертирующий и инвертирующий усилители, изучены их основные параметры и расчет схемы для заданного коэффициента усиления. Также был изучен инвертирующий сумматор, рассчитана его схема в соответствии с заданными весовыми коэффициентами и сняты параметры схемы.

При снятии параметров схемы и ОУ проводилось сравнение с теоретическими значениями, погрешность составляет не более 10%, что говорит о верном расчете схемы и снятии параметров.