Лабораторная работа №5 исследование схем, выполненных на операционном усилителе

Цель работы: исследование различных схем, выполненных на основе операционного усилителя (ОУ); снятие амплитудных характеристик и осциллограмм для основных режимов.

Описание лицевой панели лабораторного стенда

Лицевая панель стенда для исследования схем, выполненных на ОУ, представлена на рис. 5.1.

1. Неинвертирующий усилитель без ОС (рис. 5.2)	2. Скомпенсированный усилитель (рис. 5.3)	3. Неинвертирующий усилитель с ОС (рис. 5.4)
4. Инвертирующий усилитель с ОС (рис. 5.5)	5. Сумматор (рис. 5.6)	6. Компаратор (рис. 5.7)
7. Интегратор (рис. 5.9)	8. Мультивибратор (рис. 5.10)	9. ГЛИН (рис. 5.11)

Рис. 5.1. Вид испытательной панели лабораторного стенда

С помощью кнопки «Выбор схемы» выбирается одна из девяти исследуемых схем. Включение нужной схемы определяется по свечению светодиода. Кнопка «S» используется при исследовании интегратора.

Кнопка «А В» позволяет подключать вольтметр к входу в точке «А» исследуемой схемы при нажатом положении или к входу в точке «В» при отжатом положении.

Резисторы R1 и R2 служат для регулирования величины входного сигнала. Резистор R3 служит для изменения величины напряжения делителя.

Измерение напряжения на выходе схемы производится вольтметром, подключённым в точке «С».

В левой нижней части панели расположена кнопка включения стенда «Сеть», предохранитель и сигнальная лампочка.

Задания по выполнению лабораторной работы

1. Снять и построить амплитудную характеристику U_ВЫХ = f(U_ВХ) усилителя, изображенного на рис. 5.2. Результаты измерений занести в таблицу (табл. 5.1).

Рис. 5.2. Схема неинвертирующего усилителя без ОС

Таблица 5.1. Амплитудная характеристика усилителя

UР, B
UВХ, mB
UВЫХ, В

Определить коэффициент усиления по напряжению, напряжение смещения U_СМ и максимальные выходные напряжения , .

2. Снять и построить амплитудную характеристику U_ВЫХ = f(U_ВХ) при U_ВХ2 = U_СМ усилителя, изображенного на рис. 5.3. Результаты измерений занести в таблицу (табл. 5.2).

Рис. 5.3. Схема скомпенсированного усилителя

Таблица 5.2. Амплитудная характеристика усилителя

UВХ1
UВХ2
UВЫХ

3. Снять и построить амплитудную характеристику усилителя, изображенного на рис. 5.4. По результатам измерений определить коэффициент усиления (табл. 5.3).

Рис. 5.4. Схема неинвертирующего усилителя с ОС

Таблица 5.3. Амплитудная характеристика усилителя

UВХ2, В	–0,6	–0,4	0,2	0	+0,2	+0,4	+0,6
UВЫХ, В

4. Снять и построить амплитудную характеристику усилителя, изображенного на рис. 5.5. По результатам измерений определить коэффициент усиления (табл. 5.4).

Рис. 5.5. Схема инвертирующего усилителя с ОС

Таблица 5.4. Амплитудная характеристика усилителя

UВХ1, В	–0,75	–0,5	–0,25	0	+0,25	+0,5	+0,75
UВЫХ, В

5. Проверить работу двухвходового инвертирующего сумматора (рис. 5.6), снять и построить его амплитудную характеристику по данным табл. 5.5.

Сравнить теоретическое и экспериментальное значения U_ВЫХ.

Рис. 5.6. Схема двухвходового инвертирующего сумматора

Таблица 5.5. Амплитудная характеристика усилителя

UВХ1, В	–0,5	–0,5	–0,5	–0,5
UВХ2, В	–0,5	0	+0,5	+1
UВЫХ, В

6. Исследовать работу компаратора (рис. 5.7). На инвертирующий вход подать постоянное напряжение, на неинвертирующий – синусоидальное напряжение.

Рис. 5.7. Схема компаратора

Изменяя U_ВХ2 на инвертирующем входе от –0,5 до +0,5 В, наблюдайте форму выходного напряжения на экране осциллографа. Для трех значений U_ВХ2: –0,5; 0; +0,5 В, – срисуйте с экрана осциллографа формы выходного напряжения (рис. 5.8).

а) б)

Рис. 5.8. Осциллограммы, поясняющие работу компаратора:

а – при U_ВХ1 = 0,5 В, U_ВХ2 = 0; б – при U_ВХ1 = 0,5, U_ВХ2 = 0,5 В

7. Исследовать работу интегратора (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Схема интегратора

Произвести интегрирование входного напряжения, для чего нажать и держать нажатой кнопку «S» в течение 10 с. По истечении 10 с записать показания вольтметра.

Теоретическое значение выходных напряжений см. в п. 7. Получить осциллограммы выходного напряжения и срисовать с экрана осциллографа.

8. Исследовать работу мультивибратора (рис. 5.10).

Получить осциллограммы выходного напряжения и напряжения на емкости (см. рис. 5.10). Осциллограммы срисовать с экрана и расположить на листе бумаги одну под другой.

При помощи осциллографа измерить частоту (период) и определить амплитуду выходного напряжения.

Рис. 5.10. Схема мультивибратора

9. Исследовать работу генератора линейно изменяющегося напряжения (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Схема генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН)

На инвертирующий вход подать прямоугольное разнополярное напряжение с амплитудой 0,5 В и частотой 50 Гц. Зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжения (одну под другой).

При помощи осциллографа проверить величину двойной амплитуды входного напряжения 2U_ВХ ≈ 1 В и определить размах выходного напряжения и U_ВЫХ, а также проверить период (частоту) входного и выходного напряжений.

По формуле

U_ВЫХ = U_ВХ,

где U_ВХ = 0,5 В – амплитуда входного прямоугольного напряжения; t = 0,5∙Т = 0,01 с; τ = R1С – постоянная времени, определить размах выходного напряжения и сравнить с экспериментальным значением.

Методические указания по выполнению лабораторной работы

К пункту 1.

При снятии амплитудной характеристики заполняются первая и третья строчки таблицы (табл. 5.1).

Напряжение U_Р изменять от –0,8 В до +0,5 В через 0,1 В. Напряжение U_ВХ1 в милливольтах подсчитывается по формуле

U_ВХ1 = U_Р.

Коэффициент усиления по напряжению определяется как отношение приращений напряжений, взятых на линейной части характеристики:

К_U = .

Напряжение смещения можно определить из амплитудной характеристики как U_ВХ1, при котором U_ВЫХ = 0, или расчетно-графическим путем: U_СМ = U_Р10 при U_ВЫХ = 0.

Максимальные выходные напряжения , соответствуют насыщению усилителя, когда при изменении U_ВХ выходное напряжение не изменяется.

К пункту 2.

При помощи потенциометра R1 подать на вход ОУ такое напряжение (смещение), чтобы U_ВЫХ = 0. После этого снять амплитудную характеристику U_ВЫХ = f(U_ВХ1) при U_ВХ2 = U_СМ. Вольтметр подключить к потенциометру R2 (точка «В»). U_СМ изменять от нуля в обе стороны через 0,1 В до значений, когда U_ВЫХ = U_{ВЫХ max} = соnst.

К пункту 3.

Вольтметр на входе подключить к потенциометру R2 (точка «В») и, придавая U_ВХ значения согласно табл. 5.3, снимать показания с вольтметра на выходе (точка «С»).

Теоретическое значение коэффициента усиления

.

Экспериментальное значение

К = .

Сравнить теоретическое и экспериментальное значения.

К пункту 4.

Вольтметр на входе подключить к потенциометру R1 (точка «А») и, устанавливая значения U_ВХ1 согласно табл. 5.4, снимать показания с вольтметра на выходе (точка «С»).

Теоретическое значение коэффициента усиления

К = .

Экспериментальное значение

К = .

Сравнить теоретическое и экспериментальное значения коэффициента усиления.

К пункту 5.

Установить U_ВХ1 в точке «А» –0,5 В, затем, переключив кнопку в положение «В», менять напряжение U_ВХ2 согласно таблице (табл. 5.5) и снимать U_ВЫХ при каждом значении U_ВХ2.

К пункту 6.

Эксперимент провести согласно заданию.

К пункту 7.

Установить U_ВХ1 = 0,5 В.

К пункту 8.

Эксперимент провести согласно заданию.

К пункту 9.

Частоту сигнала определяют по измеренному с помощью осциллографа значению периода Т из выражения

.

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

• исследуемые схемы в соответствии с каждым пунктом задания;

• таблицы с результатами измерений и расчетными данными;

• графики снятых зависимостей;

• необходимые осциллограммы.

Краткие теоретические сведения

Операционный усилитель представляет собой многокаскадный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления и дифференциальным входным каскадом. Два входа и один выход ОУ имеют общую точку. ОУ имеет выводы для подачи положительного и отрицательного напряжений питания +Е_К и –Е_К. Выполняется ОУ в виде интегральной микросхемы.

1. Неинвертирующий усилитель без обратной связи

При подаче сигнала на неинвертирующий вход приращение выходного сигнала совпадает по знаку (фазе) с приращением входного сигнала (см. рис. 5.2). Если же сигнал подан на инвертирующий вход, то приращение выходного сигнала имеет обратный знак (противоположный по фазе) по сравнению с приращением входного сигнала. Но во всех случаях ОУ реагирует на разность входных сигналов: U_ВХ = U_ВХ1 – U_ВХ2.

2. Скомпенсированный усилитель

Важным параметром ОУ является напряжение смещения U_СМ (см. рис. 5.3). При нулевом входном сигнале выходное напряжение реального ОУ может быть и не равным 0, т.е. усилитель может оказаться несбалансированным. Основной причиной этого является разность напряжений на эмиттерных переходах транзисторов дифференциального каскада ОУ. Чтобы в этом случае получить нулевое выходное напряжение, на вход ОУ необходимо подать небольшое компенсирующее постоянное напряжение нужной полярности, называемое напряжением смещения U_СМ. Напряжение смещения – это такое U_ВХ, при котором U_ВЫХ = 0. Напряжение смещения для балансировки усилителя подано с потенциометра R1 через делитель RЗ-R4. Характеристика скомпенсированного усилителя проходит через начало координат U_ВЫХ = 0 при U_ВХ = 0.