Безбородов С. А

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

С. А. Безбородов, Д. Н. Авдеюк

Издательство

ВолгГМУ

Волгоград

2021

2

УДК 001.8(07) ББК 72.4я73 Б391

Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком. Нелегальное копирование и использование данного издания запрещено.

Р е ц е н з е н т ы:

заведующий кафедрой фундаментальной медицины и биологии ФГБОУ ВО ВолгГМУ Минздрава России к. м. н., доцент А. В. Стрыгин;

доцент кафедры физики, математики и информатики ФГБОУ ВО ВолгГМУ Минздрава России к. ф.-м. н. Е. Н. Шамина

Компьютерная верстка Е. Е. Таракановой Дизайн обложки С. Е. Акимовой

Печатается по решению РИС (протокол № 2 от 08.04.2021 г.)

Безбородов, С. А.

Методические рекомендации для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Узлы и элементы биотехнических систем» : методическое пособие / С. А. Безбородов, Д. Н. Авдеюк. – Волгоград: Изд-во ВолгГМУ, 2021. – 24 с. – Текст : электронный.

Методическое пособие (руководство по выполнению) предназначено для студентов по направлению подготовки 12.03.04 «Биотехнические системы и технологии», при выполнении лабораторных работ по учебной дисциплине «Узлы и элементы биотехнических систем».

Пособие содержит необходимый теоретический и справочный материал для выполнения лабораторных работ, контроля знаний по разделам курса.

К пособию прилагаются формы отчетов о выполнении лабораторных работ.

Минимальные системные требования:

Chrome, Firefox, Opera, Internet Explorer выше версии 9.0.

Дата подписания к использованию: 12.07.2021 г. Объем издания: 718 Кб.

Уч.-изд. л. 1,45 Волгоградский государственный медицинский университет

400131 Волгоград, пл. Павших борцов, 1. http://www.volgmed.ru

Издательство ВолгГМУ

400006 Волгоград, ул. Дзержинского, 45. izdatelstvo@volgmed.ru

УДК 001.8(07) ББК 72.4я73

© Волгоградский государственный медицинский университет, 2021

© Издательство ВолгГМУ, редакционноиздательское оформление, 2021

3

4

Лабораторная работа № 1

Схема на рис. 1 позволяет использовать операционный усилитель в качестве неинвертирующего усилителя с высоким полным входным сопротивлением, причем коэффициент усиления всей схемы по напряжению может быть жестко задан с помощью сопротивлений R1 и Roc.

Рис. 1. Неинвертирующий усилитель

Сопротивления R1 и Roc образуют делитель напряжения с очень малой нагрузкой, в силу того, что ток, необходимый для управления усилителем, очень мал (I см ≈ 0). Поэтому через R1 и Roc, течет одинаковый ток и напряжение, приложенное к инвертирующему

входу, равно: .

Чтобы получить выражение для коэффициента усиления нашей схемы, примем, что IR1 = IRос, так как Rвх → ∞. Имеем:

.

Напряжение на инвертирующем входе усилителя равно Uвх + Uд, поэтому

.

Следовательно,

.

Поскольку Uвых = АUд, то если, как мы предположили, А → ∞ и Uд ≈ 0 можно написать:

.

5

Отсюда найдем коэффициент усиления схемы Uвых/Uвх, который обычно называют коэффициентом усиления с замкнутой обратной связью Koc или коэффициентом усиления замкнутого усилителя. Решая уравнение UвхRос = R1Uвых – R1Uвх, получим:

.

Таким образом, значения сопротивлений Roc и R1 определяют коэффициент усиления схемы по напряжению. Формула для коэффициента усиления с замкнутой обратной связью неинвертирующего усилителя:

.

Задание на лабораторную работу:

1.Собрать на беспаечной макетной плате схему по рис. 1, согласно варианта

2.Подключить генератор частот к Uвх

3.Подключить осциллограф к Uвых

4.Снять осциллограммы и занести их в протокол (см. Приложение)

5.Занести в протокол значение амплитуды выходного сигнала

6. Провести теоретические расчёты значения выходного значения и сравнить

среальными

7.Написать выводы

Цель работы – знание основных характеристик и параметров неинвертирующего усилителя, умение их определять с использованием лабораторного оборудования.

Таблица 1

Варианты заданий

Напряжение питания схемы ±10 В, частота входного сигнала 1 кГц синусоидальной формы.

Дополнительная информация: Устройство беспаечной макетной платы.

Ниже изображена типичная макетная плата, на которой с помощью проводов-перемычек собираются схемы (рис. 2):

6

Рис. 2. Беспаечная макетная плата

Плата представляет с собой пластиковую доску, усеянную отверстиями. В эти отверстия можно вставлять провода-перемычки, микросхемы, резисторы, светодиоды, кнопки и прочие элементы с тонкими острыми металлическими выводами. Расстояние между отверстиями — 2,54 мм. Это стандартное расстояние, так что многие электронные компоненты отлично вставляются в эту плату.

Проводники, размещенные ближе к середине платы, соединяются в вертикальном направлении. По краям платы идут горизонтальные длинные проводники, которые чаще называют шиной питания.

Операционный усилитель LM358

На рисунке 3 представлена распиновка микросхемы LM358.

Рис. 3. Распиновка микросхемы LM358

Контрольные вопросы:

1.Что называется операционным усилителем?

2.Назовите 5 свойств идеального операционного усилителя

3.Для чего применяется отрицательная обратная связь в усилителях?

4.Получите выражение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя.

5.Зарисуйте эквивалентную схему усилителя.

7

Лабораторная работа № 2

Как следует из самого названия, входной и выходной сигналы инвертирующего усилителя сдвинуты по фазе на 180°. Здесь, как и в случае неинвертирующего усилителя, благодаря высокому коэффициенту усиления усилителя без обратной связи для изменения выходного напряжения усилителя во всем рабочем диапазоне достаточно весьма малых значений Uд.

Рис. 4. Инвертирующий усилитель

Выходное напряжение будет меняться в отрицательном направлении до тех пор, пока напряжение на инвертирующем входе (точка а на рис. 4) не станет почти нулевым: Uд ≈ 0.

Таким образом, R1 и Roc действуют как делитель напряжения между Uвых и Uвх, и отношение Uвых/Uвх равно таковому для Roc/R1. Точку а часто называют потенциально заземленной, потому что ее потенциал почти равен потенциалу земли, так как Uд, как правило, весьма мало.

Чтобы получить выражение для коэффициента усиления с обратной связью, еще раз напомним, что IR1 = IRос, а Rвх усилителя весьма велико.

Поскольку

,

можно написать, что

.

Знак минус перед правой частью этого равенства означает, что выход инвертирован. Коэффициент усиления с обратной связью равен:

.

8

Задание на лабораторную работу:

1.Собрать на беспаечной макетной плате схему по рис. 4, согласно варианта

2.Подключить генератор частот к Uвх

3.Подключить осциллограф к Uвых

4.Снять осциллограммы и занести их в протокол

5.Занести в протокол значение амплитуды выходного сигнала

6.Провести теоретические расчёты значения выходного значения и сравнить с реальными

7.Написать выводы

Цель работы – знание основных характеристик и параметров инвертирующего усилителя, умение их определять с использованием лабораторного оборудования.

Таблица 2

Варианты заданий

Напряжение питания схемы ±10 В, частота входного сигнала 1 кГц синусоидальной формы.

Контрольные вопросы:

1.Каковы основные параметры операционного усилителя?

2.Почему операционный усилитель, включенный без обратной связи, работает как релейный элемент?

3.Какие допущения принимаются для операционного усилителя при выводе коэффициента усиления с различными обратными связями?

4.Получите выражение для коэффициента усиления инвертирующего усилителя.

9

Лабораторная работа № 3

Схема дифференциального усилителя показана на рисунке 5.

Рис. 5. Дифференциальный усилитель

Если оба напряжения U1 и U2 подаются на соответствующие входы одновременно, то сигнал на инвертирующем входе вызовет такое изменение выходного напряжения, что напряжение в точке соединения сопротивлений R1 и Roc станет равным Uoc, где Uoc

Выведем теперь уравнение для выходного напряжения. Вследствие того, что усилитель имеет очень высокое входное сопротивление, имеем:

.

Приравнивая здесь второй и четвертый члены и решая полученное уравнение относительно Uвых имеем:

.

Поскольку Uoc – это напряжение в точке соединения сопротивлений R2 и Roc, составляющих делитель напряжения, и к R2 приложено напряжение U2, можно написать:

.

10

Подставляя это выражение в выражение для Uвых получим:

что представляет собой общую формулу для Uвых.

Если положить R1 = R2 и Rос = R′ос, (ситуация, которая часто встречается), получим:

.

Задание на лабораторную работу:

1.Собрать на беспаечной макетной плате схему по рис. 5, согласно варианта

2.Подключить генератор частот к Uвх1 и Uвх2

3.Подключить осциллограф к Uвых

4.Снять осциллограммы и занести их в протокол

5.Занести в протокол значение амплитуды выходного сигнала

6.Провести теоретические расчёты значения выходного значения и сравнить с реальными

7.Написать выводы

Цель работы – изучить принцип работы усилителя с дифференциальным входом, построить схему, измерить уровень сигнала с помощью осциллографа; рассчитать выходное напряжение, используя теоретические и экспериментальные данные.

Таблица 3

Варианты заданий

Напряжение питания схемы ±10 В, частота входного сигнала 1 кГц синусоидальной формы.

Контрольные вопросы:

1.Выведите формулу расчета выходного напряжения для дифференциального усилителя.

2.Каковы основные параметры операционного усилителя?

3.Каким входом ДУ присваивают названия «инвертирующий» и «неинвертирующий»?

4.Как снять амплитудную характеристику инвертирующего усилителя при помощи осциллографа?

11