Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Схемотехника измерительных устройств. Учебно-методическое пособие к практическим занятиям для бакалавров
.pdf
R0
R
ВХ
U
С
R
С
ВХ
U
C
R
DA1
R
ВХ
U
DA
1
U
ВЫХ
UОС
Рис. 5.5. Вариант 2 усилительной схемы
R2
U
ВЫХ
Рис. 5.6. Вариант 3 усилительной схемы
U
DA
ВЫХ
Рис. 5.7. Вариант 4 усилительной схемы
31
Параметры компонентов исследуемых схем
(рис. 7)
,
Таблица 5.1
Вариант 1 (рис. 4)
С1=C
мкФ
2
R1
кОм
кОм
0,1 2 10 0,1 3,9 0,25
Вариант 5 (рис. 4) Вариант 6 (рис. 5)
С1=C
мкФ
2
R1
кОм
кОм
0,05 5,1 20 0,2 1 0,05
Вариант 2 (рис. 5)
R2
С
мкФ
R2
С
мкФ
Вариант 3 (рис. 6) Вариант 4 (рис. 7)
R
кОм С мкФ
Вариант 7 (рис. 6) Вариант 8
R
кОм С мкФ
R1
кОм
R2
кОм
R3
кОм
С
мкФ
R0
кОм
1 1 1 0,25 20 2
R1
кОм
R2
кОм
R3
кОм
С
мкФ
R0
кОм
2 2 2 0,05 10 1
R1
кОм
R1
кОм
2. Собрать в редакторе MULTISIM заданную усилительную схе-
му с использованием характериографа Bode Plotter. Пример схемы
интегрирующего усилителя приведен на рис. 5.8.
3. Подключить ко входу схемы выход генератора гармони-
ческого сигнала XFG1. Настройки генератора изображены на рис. 5.9.
4. С помощью осциллографа XSC1 измерить амплитуды вход-
ного UВХ и выходного U
напряжений схемы.
ВЫХ
5. Рассчитать коэффициент передачи
U
KU=
ВЫХ
ВХ
затем логарифмический коэффициент передачи
L = 20 lg K .
6. Зарегистрировать на характериографе ХВР1 амплитудно-
частотную и фазочастотную характеристику. Пример таких характеристик для цепи, изображенной на рис. 5.8, приведен на рис. 5.10 и
рис. 5.11 соответственно.
32
Рис. 5.8. Пример усилительной схемы
Рис. 5.9. Настройки генератора сигнала XFG1
Рис. 5.10. Амплитудно-частотная характеристика цепи
33
1
1
p
p
τ
⋅ −
⋅ +
: 1
= −
j
()(
)
(
)
K p K p
2
π
.
Рис. 5.11. Фазочастотная характеристика цепи
7. Построить с помощью редактора Mathcad частотные характе-
ристики исследуемой схемы по ее передаточной функции.
Пример такого построения для варианта 3 (рис. 5.6) определяется
следующей программой:
R:=104 C:=10-7 τ:=R·C
K p
( )
:
=
j
τ
i 10 20, 1000000..:= w
0.314i⋅:= p
i
w
i
⋅:=
i
Амплитудно-частотная (АЧХ) и фазочастотная (ФЧХ) характеристики исследуемой схемы в редакторе Mathcad определяются функциями
, arg
i i
.
Графики АЧХ и ФЧХ (в логарифмическом масштабе) представ-
лены на рис. 5.12 и рис. 5.13.
1.001
1
1
K p
i
0.999
Рис. 5.12. График АЧХ исследуемой схемы, построенной в редакторе Mathcad
1
0.998
0.1 1 10 100 1 10
0.1 w
34
3
i
1 10
4
1 10
.
1 10
5
5
2
π
.
3.14
π
arg K p
1.57
i
0
0
0.1 1 10 100 1 10
0.1 w
i
3
1 10
4
1 10
.
1 10
5
5
Рис. 5.13. График ФЧХ исследуемой схемы,
построенной в редакторе Mathcad
Сравнить теоретические (построенный по п. 1 и п. 8) и экспери-
ментальные (полученные с помощью характериографа ХВР1) графики.
Содержание отчета
1. Исследуемая усилительная схема.
2. Передаточная функция усилительной схемы.
3. Выражения для амплитудно-частотной (АЧХ), фазочастотной
(ФЧХ) и логарифмической амплитудно-частотной (ЛАЧХ) характеристик исследуемой схемы.
4. Графики логарифмической амплитудно-частотной (ЛАЧХ) и
фазочастотной (ФЧХ) характеристик исследуемой схемы, определенных теоретически.
5. Графики логарифмической амплитудно-частотной (ЛАЧХ) и
фазочастотной (ФЧХ) характеристик исследуемой схемы, определенных экспериментально (аналогичных изображенных на рис.
5.10, рис. 5.11).
35
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 6
U t U t dt
, .
R
0
, ,
dt C
ВХ Д
DA
С
С
ВХ
ВЫХ
ВХ
ИНТЕГРИРУЮЩИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА БАЗЕ ОУ.
ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ ПЕРЕХОДНЫХ И ЧАСТОТНЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК
Цель работы: исследование с характеристиками интегрирующих
схем.
Общие сведения
Интегратором называют электронное устройство, напряжение на
выходе которого пропорционально интегралу от входного сигнала
1
=
( ) ( )
ВЫХ ВХ
∫
τ
. (6.1)
На основе операционных усилителей можно создавать почти иде-
альные интеграторы.
Схема простейшего интегратора представлена на рис. 6.1.
U
C
R
I
U
I
U
Рис. 6.1. Схема интегратора
U
Пренебрегая входными токами операционного усилителя DA, а
также его дифференциальным входным напряжением U
, можно
ВХ Д
записать:
U
I I I
ВХ ВХ
= =
C
ВХ
(6.2)
Ток через конденсатор и напряжение на нем определяются выра-
жениями
где U
– начальное напряжение на конденсаторе С.
C0
dU
I C U I dt U
= = +
C C C C
C
36
1
∫
(6.3)
Поскольку
0
≈
ВЫХ ВЫХ0
.
C
(
)
ВЫХ ВХ ВЫХ 0
,
С R
.
RC
τ
=
2
C
DA
ВЫХ
ВХ
U
ВХД
, напряжение на конденсаторе С равно вы-
ходному напряжению U
ВЫХ
.
Таким образом,
1
U U I dt U
= − = − +
C C
∫
(6.4)
Подставив (6.1) - (6.3) в (6.4), получаем
U t
1 1
где
U t U t dt U
= − = − +
( )
Таким образом, выходное напряжение U
ВХ
∫ ∫
τ
( )
(t) пропорционально
ВЫХ
(6.5)
интегралу от входного напряжения.
Недостатком этой схемы является то, что в реальных операционных усилителях имеются напряжение смещения и разность входных
токов. Они приводят к дрейфу выходного напряжения и к постепенному накоплению заряда на конденсаторе обратной связи. Это накладывает ограничения на интервал времени, в течение которого интегрирование происходит с достаточной точностью.
Для уменьшения этих явлений, параллельно конденсатору С иногда подключают резистор R
с большим сопротивлением (рис. 6.2).
2
R
R
U
U
Рис. 6.2. Схема интегратора с коррекцией входных токов
37
Передаточная функция интегратора (рис. 6.1) определяется пре-
1
,
p
τ
,
1
+
2
, .
R
R
, ,
2
f R C
[
]
дБ
-
20дБ/дек
образованием Лапласа выражения (6.5):
K p
( )
=
(6.6)
а передаточная функция интегратора (рис. 6.2) определяется выражением
K
K p
( )
=
0
p
τ
(6.7)
где
R C K
τ
= =
2 0
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) интегратора (рис.
6.2) с функцией (6.7) имеет вид, показанный на рис. 6.3. Характеристика представляет собой две прямые, одна прямая – с наклоном
-20 дБ/дек, проходящая через частоту сопряжения
1
= =
C
πτ
τ
2
а горизонтальная прямая проходит на уровне
Пунктирная линия на рис
интегратора (рис
L Дб
. 6.1) с
функцией
. 6.3
(6.6).
соответствует АЧХ
80
60
40
20
f
1 10 100 1к 10к 100к 1М 10М 100М
-20
-40
-60
C
(6.8)
20log
L K=
0 0
"
.
идеального
f Гц
"
Рис. 6.3. АЧХ интегратора
38
Интегратор является фильтром нижних частот, о чем свидетель-
.
2
t T
τ τ τ
∆
sin
U U t
ω
sin cos ,
U U t dt t
ω ω
.
ωτ
U
∆
U
ВЫХ
∆t
Т
ВЫХ
ВХ
t
t
ствует его АЧХ.
При подаче на вход интегратора прямоугольных импульсов на выходе будут формироваться импульсы треугольной формы (рис. 6.4).
U
-U
Рис. 6.4. Диаграммы напряжений в схеме интегратора
Размах этих импульсов определяется из выражения (6.5):
1
U U dt U U
∆ = = =
ВЫХ ВХМ ВХМ ВХМ
∫
При подаче на вход интегратора гармонического сигнала
=
ВХ ВХ М
выходное напряжение определяется выражением
1
= − =
ВЫХ ВХ М
∫
τ ωτ
( )
U
ВХМ
(6.9)
(6.10)
и представляет собой гармонический сигнал с амплитудой
U
U
ВЫХМ
=
ВХМ
(6.11)
39
При подаче на вход интегратора напряжения треугольной формы
(
)
ВЫХ ВЫХ 0 ВЫХ0
,
2
С R
ВХ
U
t
∆
∆
(
)
2
2
k t
τ
⋅ ∆
ВХ2
DA
С
С
1
ВЫХ
ВХ1
2
∆
U
∆t
Т
ВХ
t
(рис. 6.5) выходной сигнал изменяется по закону
kt
2
где
U t
1 1
U t ktdt U U
k
=
= − = − + = − +
( )
– скорость изменения входного напряжения.
ВХ
∫ ∫
τ τ
(6.12)
Размах выходного напряжения при этом составляет
U
∆ =
U
ВЫХ
. (6.13)
Рис. 6.5. Диаграмма входного напряжения треугольной формы.
Суммирующий интегратор позволяет суммировать интегральные
значения нескольких сигналов. Схема суммирующего интегратора
представлена на рис. 6.6.
R
U
U
ВХ2
I
R
C
I
U
I
ВХ1
U
Рис. 6.6. Схема суммирующего интегратора
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]