Моделирование электротехнических устройств. Методические указания для самостоятельной работы студентов направления подготовки 140400.62 «Электроэнерге
.pdf
зуются в устройствах автоматического управления, в вычислительной и измерительной технике. Такие УПТ называют операционными усилителями (ОУ). ОУ обладают большими коэффициентом усиления по напряжению (при отсутствии так называемой обратной связи) и входным сопротивлением.
ОУ имеют, как правило, два и более входов для подачи усиливаемых сигналов и один выход.
Программа МS-01 располагает большим числом УПТ (ОУ), которые выбираются на левой панели путем щелчка по пиктограмме Analog. На рис. 35 представлен ОУ типа 3554SM, который мы в дальнейшем и используем для исследования.
U2
4
1
5
Рис. 35. Операционный усилитель типа 3554SM с двумя входами
2
3 3554SM
ОУ имеет два входа: 1 (+) неинвертирующий и 2 (-) инвертирующий. Инвертирующий вход означает в данном случае, что по этому входу ОУ происходит умножение входного сигнала на (-1); неинвертирующий - на (+1). Контакты 3 и 4 служат для подачи питающего напряжения, причем, (+) подается на 4, а (-) на контакт 3. Контакт 5 является выходом ОУ.
Отношение выходного напряжения ко входному называется коэффициентом усиления усилителя:
К= U ВЫХ / U ВХ .
Вцелях обеспечения управления объектами посредством ОУ и ста-
билизации процессов в них ОУ обычно охватывают обратной связью (ОС), т.е. посредством резистора либо конденсатора соединяют выход усилителя с одним из его входов. Иначе говоря, выходное напряжение U ВЫХ или его часть подают на вход усилителя. Это напряжение U ОС
называют напряжением обратной связи. Напряжение ОС либо складывается с напряжением сигнала (положительная обратная связь), либо вычитается из него (отрицательная обратная связь). Отношение величины напряжения обратной связи к величине выходного напряжения называют коэффициентом обратной связи или глубиной обратной связи:
β = U ОС / U ВЫХ .
41
Таким образом, при отрицательной обратной связи входное напряжение усилителя равно разности между напряжением сигнала и напряжением обратной связи:
U ВХ = U С - U ОС .
Коэффициент усиления ОУ, охваченного отрицательной обратной связью:
К ОС = U ВЫХ / U С .
Выразим его через коэффициент усиления К усилителя без ОС и коэффициент обратной связи β с учетом приведенных выше выражений6
К ОС = К/(1+К β).
Поскольку β изменяется в пределах от 1 до 0, то из последнего выражения следует, что у ОУ с отрицательной обратной связью коэффициент усиления К ОС всегда меньше К.
Заметим, что ОУ с резистивной ОС служит для простого усиления входного сигнала либо для сложения нескольких входных сигналов и их усиления. ОУ с конденсатором в цепи обратной связи осуществляет функцию интегрирования входной величины.
Свойства ОУ определяются амплитудными и частотными характеристиками, которые в свою очередь зависят от коэффициента усиления и коэффициента обратной связи.
Амплитудной характеристикой ОУ называется зависимость выходного напряжения от входного при данном значении β: U ВЫХ = f (U ВХ ). Изменяя β можно получить семейство амплитудных характеристик.
Частотными характеристиками называют зависимость входного напряжения от частоты при неизменном входном напряжении и данном значении β: U ВЫХ = f (F). Изменяя β можно получить семейство частотных характеристик.
Выполнение работы.
Для сборки схемы извлечем из библиотек пиктограмм на рабочее поле усилитель U1, вольтметры ХММ1, ХММ2; источники напряжения питания V1, V2, источник сигнала V3, резисторы R1, R2, R3, осциллограф и соединим их в соответствии со схемой, представленной на рис. 36.
42
|
XSC1 |
|
G |
|
T |
A |
B |
|
|
|
|
|
V1 |
|
|
|
|
|
12V |
|
U1 |
|
4 |
XMM2 |
|
10mV 1000Hz 0Deg |
1 |
|
|
||
|
|
|
|
||
|
|
|
5 |
|
|
XMM1 |
2 |
|
3288RT |
|
|
V3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
R1 |
R2 |
V2 |
|
|
|
|
12V |
|
|
|
|
|
500ohm |
|
|
|
|
|
|
|
|
R3 |
2.0kohm |
|
|
|
|
1kohm |
|
|
|
|
Рис. 36. Схема для исследования ОУ с отрицательной обратной связью
Источник сигнала (в данном случае источник переменного синусоидального напряжения 10 мВ 1000 Гц) подключен к неинверсному входу 1 ОУ. Напряжение обратной связи с выхода 5 ОУ подается с делителя напряжения R1, R3 на второй, инвертирующий вход 2. Изменяя значение R1, можно изменять коэффициент обратной связи β и, следовательно, коэффициент усиления ОУ, поскольку, для данной схемы:
β= R3/(R3+ R1).
Входе выполнения лабораторной работы для получения амплитудной и частотной характеристик следует по указанию преподавателя изменять величину коэффициента обратной связи β, либо значение R1.
Нагрузкой усилителя является резистор R2. Входное и выходное напряжения измеряют вольтметры ХММ1 и ХММ2. Можно их измерять и наблюдать при помощи осциллографа ХSC1.
Исследование первое. Определим коэффициент усиления ОУ с отрицательной обратной связью. Включим собранную схему, предварительно активировав мультиметры и осциллограф.
Показания вольтметров составляют 7,07 и 21,2 мВ. Следовательно, коэффициент усиления ОУ К ОС = 3.
43
uвых
uвх
Рис. 37. Осциллограммы входного и выходного напряжений.
В этом легко убедиться и по осциллограмме входного и выходного напряжений, сравнив их амплитуды (рис. 37).
Исследование второе. Получение амплитудных характеристик ОУ. Для данного значения β (например, β = 0,33 при R1=2 кОм) будем изменять величину входного напряжения и измерять значения выходного. Пусть входное напряжение принимает значения 1, 2, 4, 6, 8, 10 мВ. Напомним, что изменить величину напряжения можно дважды щелкнув на схеме по источнику сигнала V3 и выбрав в появившемся окне требуемое значение амплитудного или действующего значения напряжения. Таким же образом в последующих опытах изменяется частота напряжения.
Запишем значения входного напряжения в таблицу 1, куда внесем также значения выходного напряжения. По полученным данным строим амплитудную характеристику ОУ для данного β. Изменяя β по указанию преподавателя, для тех же значений U ВХ запишем новые значения выходного напряжения, например:
44
Таблица 1. Семейство амплитудных характеристик ОУ
U ВХ , мВ |
|
1 |
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
β3=1 |
U ВЫХ , мВ |
1 |
… |
|
|
|
… |
β2=0,5 |
U ВЫХ , мВ |
2 |
… |
|
|
|
… |
β1=0,33 |
U ВЫХ , мВ |
3 |
… |
|
|
|
… |
β3=0,1 |
U ВЫХ , мВ |
10 |
… |
|
|
|
… |
Полученная таблица соответствует семейству амплитудных характеристик ОУ, которые и следует построить. Нетрудно видеть, что в данном диапазоне входных напряжений амплитудные характеристики линейны и что меньшему значению β соответствует больший коэффициент усиления. В пределе при β=1 коэффициент усиления равен 1. и входное напряжение равно выходному.
Исследование третье. Получение частотных характеристик U ВЫХ = f
(F). Для получения частотных характеристик
следует устанавливать значения частоты, заданные преподавателем для фиксированных значений β, как это делалось в предыдущем опыте, и заполнить соответствующую таблицу 2. При этом амплитуда входного сигнала неизменна и задается преподавателем (например, 5 мВ)
Таблица 2. Семейство частотных характеристик ОУ
F, кГц |
|
0,01 |
1 |
10 |
50 |
100 |
200 |
β3=1 |
U ВЫХ , мВ |
… |
|
|
|
|
… |
β2=0,5 |
U ВЫХ , мВ |
… |
|
|
|
|
… |
β1=0,33 |
U ВЫХ , мВ |
… |
|
|
|
|
… |
β3=0,1 |
U ВЫХ , мВ |
… |
|
|
|
|
… |
Необходимо построить по полученным данным семейство частотных характеристик. По итогам работы следует привести краткие выводы.
45
ЛИТЕРАТУРА
1.Аверченков, В.И. Основы математического моделирования технических систем: учеб. пособие/ Аверченков В.И., Федоров В.П., Хейфец М.Л.- Электронные текстовые данные.- Брянск: БГТУ, 2012Режим доступа: http://iprbookshop.ru/7003.- ЭБС «IPRbooks», по паролю.
2.Алиев, И.И. Виртуальная электротехника. Компьютерные технологии в электротехнике и электронике / И.И. Алиев. - М.: Радио-
Софт, 2003. – 112 с.
3.Алиев, И.И. Справочник по электротехнике и электрооборудованию: учебное пособие.- изд.2-е. М.: Высшая школа, 2002.- 258 с., илл.
4.Гаврилов, Л.П. Расчет и моделирование линейных электрических цепей с применением ПК : учеб. пособие / Гаврилов Л.П., Соснин Д.А.- Электронные текстовые данные.- М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2004Режим доступа: http://iprbookshop.ru/8657.- ЭБС «IPRbooks», по паролю.
5.Карлащук, В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Инструментальные средства и моделирование элементов практических схем/ Карлащук, В.И., Карлащук С.В. – М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008. – 144 с.; ил.
–(Серия «Библиотека инженера»)
6.Учебно-тренажерный комплекс по электротехнике УТК-1 /под ред. И.Г. Заборы. -М.: МИКХиС, 2001. -73 с.
7.Чернышова, Т.И. Моделирование электронных схем: учебное пособие / Т.И. Чернышова, Н.Г. Чернышов. – Тамбов : Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2010. – 80 с.
8.Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях. Практикум по Electronics Workbench: В 2-х томах / под общей ред.
Д.И. Панфилова. - М.: ДОДЭКА, 2000. т.1. - 304 с., т.2 -288 с.
9.Электротехника и электрооборудование: Элементы теории и задания к контрольным работам / под общей ред. И.И. Алиева.- М.:
МИКХИС, 1998. -83 с.
10.Электротехника. Часть 1. Общие сведения. Цепи синусоидального тока: учебно-методическое пособие / под общей ред. И.Г. Заборы и Г.Н. Учуваткина. М.: МИКХИС, 2002. -210 с. Часть 2. 1993.
46