ЭиЭ_все лабы / Задания / Laboratornaya_rabota_N_8_2013

2

1. Цель работы

Ознакомиться с основными схемами на основе операционных усилителей. Приобрести практические навыки расчета и измерения параметров схем с помощью программы Electronics Workbench.

2.Программа работы

2.1.Расчет параметров изучаемых цепей.

2.1.1.Рассчитать коэффициент усиления инвертирующего усилителя (Рис. 1). Параметры схемы даны в таблице 1.

2.1.2.Рассчитать коэффициент усиления неинвертирующего усилителя (Рис. 2). Параметры схемы даны в таблице 1.

2.1.3.Рассчитать выходное напряжение инвертирующего сумматора (Рис. 3). Параметры схемы даны в таблице 2.

4

Подать на вход с помощью генератора синусоидальное напряжение амплитудой Uвх = 0,2 В частотой 1 кГц. Измерить с помощью осциллографа Uвх и Uвых, определить коэффициент усиления, сравнить с расчетом.

Исследовать передаточную характеристику усилителя Uвых = f(Uвх). Для этого необходимо задавать амплитуду входного сигнала в диапазоне 0.01 - 5 В и измерять амплитуду выходного сигнала. Результаты занести в таблицу, построить график.

Установить на входе усилителя напряжение Uвх = 0,5 В. Изменять частоту входного сигнала в диапазоне 0,1 Гц – 10 МГц. Измерить амплитуду выходного сигнала на каждой частоте. Построить зависимость коэффициента усиления от частоты в логарифмическом масштабе (АЧХ усилителя). По графику определить верхнюю граничную частоту (на уровне 0,707) и частоту единичного усиления (на которой коэффициент усиления равен единице).

2.2.2. Собрать схему неинвертирующего усилителя (Рис. 2).

Рис. 2. Схема неинвертирующего усилителя

Подать на вход с помощью генератора синусоидальное напряжение амплитудой Uвх = 0,2 В частотой 1 кГц. Измерить с помощью осциллографа Uвх и Uвых, определить коэффициент усиления, сравнить с расчетом.

Исследовать передаточную характеристику усилителя Uвых = f(Uвх). Для этого необходимо задавать амплитуду входного сигнала в диапазоне 0.01 - 5 В и измерять амплитуду выходного сигнала. Результаты занести в таблицу, построить график.

Установить на входе усилителя напряжение Uвх = 0,5 В. Изменять частоту входного сигнала в диапазоне 0,1 Гц – 10 МГц. Измерить амплитуду выходного сигнала на каждой частоте. Построить зависимость коэффициента усиления от частоты в логарифмическом масштабе (АЧХ усилителя). По графику определить верхнюю граничную частоту (на уровне 0,707) и частоту единичного усиления (на которой коэффициент усиления равен единице).

2.2.3. Собрать схему инвертирующего сумматора (Рис. 3).

5

Рис. 3. Инвертирующий сумматор

Установить сопротивления резисторов и напряжения источников согласно табл. 2. С помощью вольтметра измерить выходное напряжение, сравнить с расчетом.

2.2.4. Собрать схему интегратора на основе ОУ (Рис. 4).

Рис. 4. Схема интегратора

На вход схемы подать последовательность прямоугольных импульсов частотой 1 кГц амплитудой 20 мВ. Записать осциллограммы входного и выходного напряжений.

3.Содержание отчета

3.1.Титульный лист.

3.2.Цель работы.

3.3.Принципиальные схемы устройств, используемых в работе.

6

3.4.Результаты расчетов параметров схем.

3.5.Экспериментальное исследование. Методика проведения измерений. Таблицы результатов эксперимента, графики, осциллограммы.

3.6.Выводы.

4.Контрольные вопросы

4.1.Из каких каскадов состоит операционный усилитель?

4.2.Назовите параметры идеального операционного усилителя.

4.3.Как определяется коэффициент усиления инвертирующего и неинвертирующего усилителя?

4.4.Как рассчитать напряжение на выходе сумматора?

4.5.Нарисуйте осциллограммы на выходе интегратора.

5.Краткие теоретические сведения

Операционные усилители (ОУ) занимают особое место среди аналоговых интегральных микросхем, предназначенных для усиления, преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Операционные усилители являются наиболее универсальным многофункциональным базовым элементом для построения многих узлов, используемых не только для линейного преобразования, усиления и обработки сигналов, но и для нелинейного преобразования. При анализе схем на ОУ обычно принимают следующие упрощающие предположения:

1.входы ОУ не потребляют тока;

2.напряжение между входами ОУ равно нулю.

Инвертирующий усилитель (Рис. 1) представляет собой ОУ, охваченный цепью параллельной отрицательной обратной связи по напряжению на резисторах R2, R1. Входной сигнал подан на инвертирующий вход. Неинвертирующий вход заземлен. Так как неинвертирующий вход ОУ заземлен и разность напряжений между входами U = Uвых/К пренебрежимо мала, то инвертирующий вход тоже имеет нулевой потенциал относительно земли. Поэтому: Iвх = Uвх / R1. Так как входы идеального ОУ не потребляют тока, то:

Iос = Iвх = Uвх / R1.

Выходное напряжение, то есть напряжение на выходном выводе относительно общей шины, можно найти как падение напряжения от тока Iос на резисторе R2, т. е.:

Uвых = – Ioc R2 = – Uвх R2 / R1.

Отсюда коэффициент усиления инвертирующего усилителя:

КUинв = Uвых / Uвх = – R2 / R1.

7

Входное сопротивление инвертирующего усилителя при идеальном ОУ определяется сопротивлением резистора R1, Rвх инв = R1. Выходное

сопротивление Rвых инв ≈ 0.

Неинвертирующий усилитель (Рис. 2) представляет собой ОУ, охваченный цепью последовательной отрицательной обратной связи по напряжению на резисторах R2, R1. Входной сигнал подан на неинвертирующий вход. Выражение для коэффициента усиления этой схемы можно получить, используя условие равенства напряжений на входах ОУ и считая ОУ идеальным. Тогда:

Uвх = Uвых R1 / (R1+R2).

Отсюда коэффициент усиления схемы:

КUнеинв = Uвых / Uвх = 1+ (R2/R1) = 1 +│КUинв│.

Инвертирующий сумматор (Рис. 3) предназначен для формирования напряжения, равного усиленной алгебраической сумме нескольких входных сигналов, т.е. он выполняет математическую операцию суммирования нескольких сигналов. При этом выходной сигнал дополнительно инвертируется. В результате, сигнал на выходе инвертирующего сумматора можно рассчитать в соответствии с выражением:

Uвых = -Uвх1R4/R1 -Uвх2R4/R2 -Uвх3R4/R3 -… -UвхnR4/Rn.