3431

Лабораторная работа № 1.6

Исследование мультивибратора и сумматора на базе операционного усилителя

Цель работы: исслелавание различных устройств, построенных на операционных усилителях, а именно мультивибраторов и сумматоров, получение осциллограмм напряжений на конденсаторе Uc и Uвых, определение параметров сигналов, сравнение с расчётными значениями.

Задание 1.6.1. Исследование мультивибратора

Для выплнения лабораторного задания собрать схему мультивибратора, которая работает в автоколебательном режиме, показана на рис. 1.6.1, при

скважности импульсного процесса q TПОВТ. 2 .

tи ,

XSC1

Рис. 1.6.1. Схема для моделирования мультивибратора

1.Изменяя значения конденсатора заполнить табл. 1.6.1 при R3 = 50 кОм

иR4 = 20 кОм для различных сопротивлений цепи обратной связи ROC = 10 кОм

и100 кОм.

31

Построить графики зависимостей UМ.ВЫХ = f( С), ТПОВТ= f( С), tИ = f( С) при различных сопротивлениях ОС Roc. На осцилограммах измерить и указать

длительность выходного импульса tИ , период повторения ТПОВТ. , а также амплитуду импульсов и величины нижнего и верхнего пороговых напряжений

UП.ВЕРХ. и UП.НИЖН..

Рассчитать пороговое напряжение входов операционных усилителей и сопоставить с соответствующими величинами, измеренными с помощью осциллографа.

2.Рассчитать коэффициент положительной обратной связи КОС= R1/( R1 + R2)

всоответствии со значениями резисторов в табл. 1.6.2, снять зависимости вли-

яния КОС на амплитуду выходного значения UМ.ВЫХ и период повторений выходных импульсов ТПОВТ, заполнить табл. 1.6.2.

Таблица 1.6.2 Влияние R1, R2 на амплитуду и период повторения выходных импульсов

Построить графики зависимостей UM.ВЫХ= f(КОС)., ТПОВТ = f(КОС) при RОС = 100 кОм и С = 0,05 мкФ и сделать выводы.

Задание 1.6.2. Исследование несимметричного мультивибратора

1. Собрать схему мультивибратора, работающего в режиме автоколебаний, приведенного на рис. 1.6.2, при скважности импульсного процесса

q TПОВТ. 2 . tи ,

Рис. 1.6.2. Схема для моделирования несимметричного мультивибратора

32

2. Заполнить табл. 1.6.3 при заданых значениях сопротивлений R=50 кОм, R1=20 кОм, R2=50 кОм и двух значениях RОС=10 кОм и 100 кОм.

Таблица 1.6.3

Влияние емкости конденсатора на значения tИ+,- , ТПОВТ., UM.ВЫХ. = f(C)

различных сопротивлениях обратной связи Roc. На осцилограммах измерить и указать tИ, ТПОВТ. , а также амплитуду импульсов и величины нижнего и верхнего пороговых напряжений UП.ВЕРХ. и UП.НИЖН..

Задание 1.6.3. Исследование трехвходового инвертирующего сумматора

1. Собрать схему, показанную на рис. 1.6.3. Вольтметр настроить на измерение постоянного напряжения.

Рис. 1.6.3. Функциональная схема трехвходового инвертирующего сумматора

2. Для всех вариантов установливается напряжение питания операционного усилителя ЕП = 15 В, сопротивление цепи обратной связи RОС = 100 кОм,

RКОР = 1 кОм.

3. Рассчитать и установить значения сопротивлений входных цепей схемы (R1, R2, R3) такие, чтобы выполнялось реализуемое выражение варианта,

33

заданное в табл. 1.6.4. Напряжение подключается своим минусом к входу, а плюсом к общей точке, если оно дано со знаком минус.

Выходное напряжение инвертирующего сумматора определяется:

Это выражение показывает, что выходное напряжение равно инвертированной сумме входных напряжений, умноженных на отношения сопротивления ROC к сопротивлениям соответствующих входных резисторов.

Если выбрать R1=R2=R3=R, то выходное напряжение инвертирующего сумматора выглядит следующим образом:

Выходное напряжение будет равно инверсной сумме входных напряжений, если выбрать ROC=R.

Лабораторная работа № 1.7

Исследование интегратора, дифференцирующего и избирательного усилителей

Цель работы: исследование и изучение принципа работы интеграторов, дифференциаторов и избирательных усилителей , построенных на библиотечных ОУ в среде Multisim. Определение их параметров и характеристик с помощью Боде-плоттера.

34

Краткие теоретические сведения

Логарифмические амплитудно-и фазо-частотные характеристики (ЛАЧХ) и (ЛФЧХ) являются удобным средством анализа устойчивости линейных систем и служат для расчета корректирующих цепей.

Амплитудно-частотные характеристики строятся в логарифмическом масштабе. По оси ординат откладывают коэффициент усиления, представленный в децибелах, по оси абсцисс откладывают частоту, выраженную в логарифмическом масштабе, удобном для графического представления частотных характеристик.

Децибела (дБ)- отношение амплитуд двух сигналов. K(дБ) = 20lgK. Интервал частот, отличающихся в 10 раз называют декадой. 20lg10 = 20 дБ наклон характеристики +20 дБ/дeк.

Реальный операционный усилитель имеет: коэффициент усиления К= 103 – 106, частоту единичного усиления fед – частота, при которой коэффициент усиления ОУ равен единице, составляет 0,5 – 10 МГц.

Частота среза определяется из частоты единичного усиления fед и коэффициента усиления реального операционного усилителя по АЧХ характеристике или логарифмической АЧХ (ЛАЧХ) на рис. 1.7.1.

Рис. 1.7.1. ЛАЧХ ОУ

Коэффициент усиления снижается из-за инерционности на верхних частотах операционного усилителя, начиная с частоты среза fс (точка излома логарифмической амплитудно-частотной характеристики ОУ), и скорость спада АЧХ составляет -20 дБ/дек до частоты единичного усиления, рис. 1.7.2.

Снятие ЛАЧХ и ЛФЧХ усилителя с помощью Боде-плоттера. Снять ЛАЧХ и ЛФЧХ усилителя с помощью Боде-плоттера, который представлен на рисунке 1.7.2. Для снятия ЛАЧХ выбрать в опции «Mode» режим «Magnitude». Вводить параметры горизонтальной и вертикальной шкал, как указано на рис. 1.7.2, шкала должна быть логарифмическая.

35

Построить графики и сделать выводы.

Задание 1.7.2. Исследование дифференцирующего усилителя

Собрать схему дифференциатора, приведеную на рис.1.7.4, параметры ОУ установить как в предыдущем задании 1.7.1.

Установить параметры генератора: выбрать прямоугольную форму сигнала, частоту 1 кГц, заполнение 50%, амплитуду сигнала 1 мВ, смещение 0.

Установить емкость конденсатора С1=100 мкФ, сопротивление резистора R1=20 Ом, R2 согласно варианту из табл. 1.7.1.

37

Снять ЛАЧХ усилителя с помощью Боде-плоттера, определить максимальный коэффициент усиления, по уровню 3 Дб определить коэффициент усиления на нижней и верхней частотах, показание вольтметра, рассчитать полосу пропускания. Результаты измерений и вид ЛАЧХ занести в табл. 1.7.2. Сделать вывод. Снять и добавить в отчет осциллограмму входного и выходного напряжений.

Задание 1.7.3. Исследование избирательного усилителя с использованием Боде-плоттера

Собрать схему избирательного усилителя на рис. 1.7.5, параметры ОУ и параметры генератора установить как в задании 1.7.1.

Установить емкость конденсатора С1 = С2 и R2 согласно варианту из табл. 1.7.1, сопротивление резистора R1 = 1 кОм. Включить схему.

Снять ЛАЧХ усилителя с помощью Боде-плоттера. Определить максимальный коэффициент усиления и квазирезонансную частоту, используя указатель Боде-плоттера. Снять показание вольтметра.

Результаты показаний и вид ЛАЧХ занести в табл. 1.7.2. Сделать вывод. Снять и добавить в отчет осциллограмму выходного сигнала.

Контрольные вопросы

1.Что такое интегратор? Схема. Основные свойства.

2.Что такое дифференциатор? Схема. Основные свойства.

3.Что такое сумматор? Схема. Основные свойства.

4.Что такое избирательный усилитель? Его основные свойства.

5. Как можно задать коэффициент усиления инвертирующего усилителя? 6. Как можно с помощью частотного анализатора определить полосу про-

пускания инвертирующего усилителя?

38

Лабораторная работа № 1.8

Исследование фильтров нижних и высоких частот на базе операционного усилителя

Цель работы: научиться рассчитывать активный низкочастотный и высокочастотный фильтры, построенные на основе ОУ в среде multisim.

Задание 1.8.1. Исследование фильтра нижних частот (ФНЧ)

Схема активного фильтра нижних частот показана на рис. 1.8.1, а его передаточная функция представлена на рис. 1.8.2.

Рис. 1.8.1. Схема для моделирования активного фильтра НЧ

Рис. 1.8.2. Передаточная функция активного ФНЧ

Передаточная функция четырёхполюсника, включённого в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя имеет вид:

W p Kч 1 1 p ,

1 2 p

39

Передаточная функция операционного усилителя с передаточной функцией WЧ(p) в цепи отрицательной обратной связи определяется из заключения, что полоса пропускания данного фильтра зависит от коэффициента усиления

Есть два часто используемых способа для получения фильтра с большим наклоном логарифмической амплитудно-частотной характеристики после частоты среза (40, 60 и более дБ/дек) этокаскадное включение нескольких аналогичных фильтров, или использование более сложного четырёхполюсника в цепи обратной связи.

1. Спроектировать активный фильтр нижних частот с коэффициентом передачи КU и верхней частотой fВ. Коэффициент усиления самого операционного усилителя равен КU0. Операционный усилитель имеет постоянную времени ОУ.

2. С помощью программы multisim проверить результаты расчетов, установив для всех вариантов следующие параметры схемы: ЕП (V1, V2)= ±15 В,

uВХ = 50 мВ, RВХ (R1) = 200 Ом, RН (RH) = 20 кОм. Все параметры для моделирования и расчета взять из таблицы по вариантам.

Пример расчета фильтра нижних частот

Необходимо спроектировать активный фильтр нижних частот с коэффициентом передачи КU = 100 и верхней частотой fВ = 500 Гц. Коэффициент усиления операционного усилителя выбрать равным КU0 = 200000, постоянная времени операционного усилителя будет равна τ = 0,03 с.

Решение

1.Верхняя круговая частота полосы пропускания ω = 2π fВ = 2π 500 = π 103.

2.Для определения коэффициента передачи цепи отрицательной обратной связи по постоянному току используем формулу

40