Министерство образования и науки Российской Федерации

Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых

Кафедра управления и информатики в технических и экономических системах

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине

ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ

Составители: Грибакин А. С. Кочуров О. М. Грибакин В. С.

Владимир 2011

УДК 621.317

ББК 31.221

Рецензент

доцент Владимирского государственного университета С. Н. Марычев

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Технические измерения и приборы» / Составители: А. С. Грибакин, О. М. Кочуров, В. С. Грибакин. — Владимир: ВлГУ — 2011, 55 с.

Приведены описания лабораторных работ, посвященных вопросам моделирования типовых узлов информационно-измерительной аппаратуры в среде Multisim 7. Рассматриваются важнейшие свойства операционных усилителей, как основы для построения преобразователей измерительных сигналов. Изучаются вопросы проектирования измерительных усилителей, аналоговых фильтров и мостовых измерительных преобразователей.

Предназначены для студентов специальности 210100 — Управление и информатика в технических системах.

Ил. 22, Табл. 20. Библиогр.: 12 назв.

УДК 621.317

2

1 Краткие теоретические сведения к лабораторным работам №1, 2

Операционный усилитель (ОУ) — это унифицированный многокаскадный дифференциальный усилитель постоянного тока, по своим характеристикам приближающийся к воображаемому «идеальному» усилителю. Современные ОУ выполнены в виде интегральных микросхем, снабженных минимум пятью выводами. ОУ имеет два входа — инвертирующий и неинвертирующий, выход и выводы для подключения источника питания. Кроме перечисленных могут присутствовать и другие выводы, например, для установки нуля, частотной коррекции, реже для управление режимом работы и т. п.

Операционные усилители нашли применение в самых разнообразных задачах аналоговой обработки и преобразования сигналов, составляя основу аналоговой электроники.

1.1 Основные параметры операционных усилителей

Идеальный усилитель удовлетворяет следующим требованиям к электрическим параметрам:

1. Коэффициент усиления дифференциального сигнала стремится к

бесконечности (Kдиф→∞).

2. Коэффициент передачи синфазного сигнала стремится к нулю

(Kсинф→0).

3.Входное сопротивление стремится к бесконечности (Rвх→∞). Следовательно, входные токи стремятся к нулю (Iвх→0).

4.Выходное сопротивление стремится к нулю (Rвых→0).

5.Равенство нулю выходного напряжения при равенстве напряжений на входах, то есть при равенстве нулю дифференциального сигнала

(Uвых=0 при Uвх=0).

6. Бесконечная полоса усиливаемых частот (fс→∞).

Реальный операционный усилитель может лишь приближаться к идеальному. Для проектирования схем с использованием операционных усилителей необходимо знание параметров ОУ и их влияния на работу усилительного устройства. Рассмотрим основные параметры.

1. Коэффициент усиления по напряжению (KОУ) характеризует спо-

собность усиливать дифференциальный сигнал, подаваемый на входы ОУ.

KОУ=Uвых/ Uвх.

KОУ выражается в относительных единицах, а чаще в децибелах. Этот параметр также часто называют коэффициентом передачи ОУ без обратной связи или коэффициентом передачи разомкнутого ОУ. Типовые значения KОУ=104…106 (80…120 дБ). KОУ зависит от частоты усиливаемого

3

сигнала. Он постоянен в области нижних частот, и спадает со скоростью

–20 дБ/дек, начиная с некоторой частоты среза fс.

2.В этой связи ОУ характеризуют частотой единичного усиления

(f1), равной частоте, на которой модуль коэффициента усиления равен единице (|KОУ|=1). Типовые значения f1=50 кГц…100 МГц.

3.Входное напряжение смещения (Uсм) или напряжение смещения нуля — это небольшое нежелательное напряжение, возникающее внутри ОУ, вызывающее появление на его выходе некоторого ненулевого напряжения при равенстве напряжений на входах, то есть при равенстве нулю дифференциального входного сигнала. Напряжение смещения обусловлено

восновном неидентичностью напряжений эмиттерных переходов транзисторов входного дифференциального каскада (или напряжений затвористок для ОУ с полевыми транзисторами на входе).

Входным его называют потому, что оно передается на выход схемы усилителя практически с тем же коэффициентом передачи, что и полезный входной сигнал. Фактически напряжение смещения можно представить, как кажущееся напряжение, действующее на входе схемы. Обычно

Uсм=50 мкВ…10 мВ.

4.Входной ток (Iвх) или входной ток смещения (Iсм) — небольшой нежелательный ток, протекающий по входным выводам ОУ. Входной ток необходим для обеспечения требуемого режима работы входных транзисторов по постоянному току. Входной ток смещения обычно равен

Iвх=10 нА…10 мкА. Далее будет показано, что входные токи инвертирующего (Iвх и) и неинвертирующего (Iвх н) входов неравны. Обычно входным током считают средний ток обоих входов: Iвх=(Iвх и+Iвх н)/2.

5.Разность входных токов ( Iвх) или входной ток сдвига (Iсдв) ра-

вен модулю разности входных токов, протекающих по инвертирующему и

неинвертирующему входам ОУ.

Iвх=|Iвх и–Iвх н|.

Неравенство входных токов объясняется неидентичностью транзисторов входного каскада ОУ.

Замечание. Напряжение и токи смещения по роду являются постоянными независимо от формы полезного входного сигнала.

Напряжение смещения, токи смещения и ток сдвига подвержены дрейфу с изменением температуры. В этой связи ОУ характеризуются температурными дрейфами соответствующих параметров, выражающих изменения параметров при изменении температуры на 1ºC. Типовые значения:

Uсм/T — 100 нВ…10 мкВ на 1ºC; Iсм/T, Iсдв/T — 100 пА — 10 нА на 1ºC.

4

6. Коэффициент ослабления синфазного сигнала (KОСС) характери-

зует степень подавления синфазной составляющей входного сигнала. Определяется как отношение коэффициента передачи дифференциального сигнала к коэффициенту передачи синфазного сигнала.

KОСС=Kдиф/Kсинф.

Типовые значения 103…106 (60…120 дБ).

7. Скорость изменения (нарастания) выходного напряжения (V) —

определяет максимальную величину, на которую способно изменяться выходное напряжение ОУ за единицу времени. Возможные значения V=0,1…100 В/мкс.

8.Максимальное выходное напряжение (Uвых макс) — максимальное выходное напряжение, при котором усилитель сохраняет свойство линейности (не насыщается). Обычно на 0,5…2 В меньше напряжения питания. Часто говорят о размахе выходного напряжения, то есть удвоенном выходном.

9.Входное сопротивление (Rвх). Различают дифференциальное (Rдиф) и

синфазное (Rсинф) входные сопротивления. Rдиф — определяется как сопротивление между входами усилителя, а Rсинф — как сопротивление между объединенными входами и общей точкой (землей). Дифференциальное входное сопротивление может достигать нескольких мегаом, а синфазное гигаом.

10.Выходное сопротивление (Rвых) — это выходное сопротивление ОУ без обратной связи, рассматриваемого как эквивалентный генератор. Типовое значение — сотни Ом. Следует помнить, что введение отрицательной обратной связи уменьшает эквивалентное выходное сопротивление практически до нуля.

Кроме перечисленных параметров ОУ имеют следующие характеристики: допустимый диапазон напряжения питания, коэффициент подавления влияния разности напряжений питания, максимально допустимый выходной ток, диапазон рабочих температур, потребляемая мощность, максимально допустимые входные дифференциальное и синфазное напряжения, уровень шума.

1.2 Классификация ОУ

На современном этапе развития аналоговой электроники выделяют следующие группы операционных усилителей.

1. ОУ общего применения — используются для построения узлов, не предназначенных для измерительных целей. На ОУ общего применения, скорее всего, не удастся получить погрешность менее 1%. Типовые характеристики: напряжение смещения — 1…10 мВ; коэффициент усиления — 80…100 дБ; скорость нарастания выходного напряжения 0,1…10 В/мкс.

5

2.Быстродействующие ОУ — имеют скорость нарастания выходного напряжения более 30 В/мкс. Обычно характеризуются высокими значениями напряжения смещения и входного тока, малым коэффициентом усиления. Предназначены, прежде всего, для усиления быстроизменяющихся или импульсных сигналов. Сверхбыстродействующие ОУ могут иметь скорость нарастания порядка нескольких десятков тысяч В/мкс.

3.Широкополосные ОУ — обладают частотой единичного усиления более 10 МГц. Чаще всего, являются быстродействующими и имеют те же недостатки. Предназначены для усиления высокочастотных сигналов. Частота единичного усиления современных ОУ может превышать 1 ГГц.

4.Прецизионные ОУ — характеризуются малыми значениями напряжения смещения и входных токов, высоким значением коэффициента усиления и коэффициента подавления синфазного сигнала, высоким входным сопротивлением и низким уровнем шума. Как правило, имеют

низкое быстродействие. Типовые значения параметров: Uсм<250 мкВ; KОУ>100 дБ; KОСС>100 дБ. Предназначены для применения в измерительных цепях, чаще всего, для усиления сигналов постоянного напряжения, так как являются сравнительно узкополосными.

5.ОУ с малыми входными токами — усилители с входным каска-

дом на полевых транзисторах. Как правило, имеют входные токи не более

100 пА.

6.Инструментальные ОУ — представляют собой несколько операционных усилителей, соединенных особым образом, и (иногда) схему управления. Часто имеют фиксированный набор коэффициентов усиления, для выбора которых не требуется подключение внешних резисторов. Обладают всеми преимуществами и недостатками прецизионных усилителей, но, как правило, имеют лучшие параметры. Характеризуются очень большими коэффициентом передачи без обратной связи (до 140 дБ), коэффициентом подавления синфазного сигнала (до 130 дБ), входным сопротивлением (до единиц ГОм) и малым смещением (десятки мкВ).

7.ОУ с компенсацией смещения — оснащены специальным устройством, которое периодически переводит ОУ в режим измерения собственного смещения и учитывает его, когда ОУ находится в рабочем режиме. Характеризуются очень низким напряжением смещения (до единиц микровольт). Имеют все достоинства и недостатки прецизионных.

8.Микромощные ОУ — ОУ с током потребления менее 1 мА. Другой признак — потребляемая мощность менее 100 мкВт. Чаще всего, не обладают высокими характеристиками.

6