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
Диаграммы сигналов в схеме приведены на рис. 9.6, характеристика схемы – на рис. 9.7.
Рис. 9.6. Диаграммы сигналов в схеме однополупериодного инвертирующего
выпрямителя с отрицательным выходным сигналом
Рис. 9.7. Характеристика однополупериодного инвертирующего выпрямителя
с отрицательным выходным сигналом
Схема инвертирующего однополупериодного выпрямителя с выходным положительным напряжением приведена на рис. 9.8.
71
1 ,
2
Рис. 9.8. Схема инвертирующего однополупериодного выпрямителя
с выходным положительным напряжением
Как в инвертирующем, так и в неинвертирующем выпрямителях
диод D1 введен для повышения их быстродействия. Если исключить
этот диод, то в режиме отсечки ОУ входит в состояние насыщения.
При переходе в режим пропускания ОУ сначала должен выйти из
насыщения, а затем его выходное напряжение будет достаточно долго
нарастать до уровня открывания диода D2. Введение диода D1 предотвращает насыщение ОУ и ограничивает перепад его выходного напряжения при смене полярности входного сигнала. В неинвертирующей
схеме диод D1 обеспечивает ограничение выходного напряжения ОУ
путем замыкания его выхода на землю, поэтому ОУ должен допускать
короткое замыкание на выходе в течение неограниченного времени.
Кроме того, в неинвертирующей схеме операционный усилитель должен
иметь большое допустимое дифференциальное входное напряжение и
малое время восстановления из режима ограничения выходного тока.
Существенным недостатком представленных выше схем является
их высокое выходное сопротивление, имеющее, к тому же, нелинейный характер.
тирующей схеме выпрямителя равен
Коэффициент усиления полуволны входного сигнала в неинвер-
3
KR= +
U
R
(9.1)
72
а в инвертирующей схеме –
.
2
вх при Vвх 0,
при Vвх 0.
V1
V2
Vвх
V
вых
3
KR= −
U
R
(9.2)
2. Схема двухполупериодного выпрямителя
Одна из схем двухполупериодного выпрямителя приведена на рис.
9.9. В этой схеме применено инвертирующее включение операцион-
ных усилителей. Схема включает сумматор на U2 и однополупериодный выпрямитель на U1. При положительном входном напряжении
выпрямитель работает как инвертирующий усилитель. В этом случае
напряжение V2 отрицательно, т.е. диод D2 проводит, а D1 закрыт,
поэтому V1 = –Vвх.
Рис. 9.9. Схема двухполупериодного выпрямителя
При отрицательном входном напряжении V2 положительно, т.е.
диод D2 закрыт, а D1 проводит и замыкает цепь отрицательной обратной связи усилителя, которая препятствует насыщению усилителя
U1. Поэтому точка суммирования остается под нулевым потенциалом. Поскольку диод D2 закрыт, напряжение V1 также равно нулю.
Справедливы соотношения:
V1=
-V
0
≥
(9.3)
≤
73
Подключение сумматора на U2 обеспечивает двухполупериодное
(
)
вых=- Vвх+2 V1 .
вх при Vвх 0,
вх при Vвх 0.
выпрямление. Сумматор формирует напряжение
V
⋅
(9.4)
Учитывая (9.3), получаем:
Vвых=
V
V
− ≤
≥
(9.5)
Это и есть искомая функция двухполупериодного выпрямителя с
коэффициентом усиления KU = 1.
Достоинством рассмотренной схемы является равное входное сопротивление для разных полярностей входного сигнала и отсутствие
синфазного напряжения на входах усилителей. Недостаток – необходимость согласовывать резисторы.
Диаграммы сигналов в схеме двухполупериодного выпрямителя
приведены на рис. 9.10. Для удобства входной сигнал на экране осциллоскопа смещен вниз на 1 В. Характеристика этой схемы представлена на рис. 9.11.
Рис. 9.10. Диаграммы сигналов в схеме двухполупериодного выпрямителя
74
вх при Vвх 0,
при Vвх 0.
вых=- Vвх- V1 Vвх Vвх при Vвх 0,
= − − ⋅ ≥
вых=- Vвх при Vвх 0.
≤
5
K =- ;
4
2 ;
1 2
U
K
R R
Рис. 9.11. Характеристика схемы двухполупериодного выпрямителя
Чтобы эта схема одновременно с двухполупериодным выпрямлением обеспечивала заданный коэффициент усиления KU, необходимо
обеспечивать выполнение условий, аналогичных (9.3) – (9.5):
3
R
- V
V1=
⋅ ≥
2
R
0
(9.6)
≤
5 5 5 5 3
R R R R R
V
4 1 4 1 2
R R R R R
(9.7)
5
V
4RR
Из (9.6) и (9.7) следует, что для заданного KU необходимо выполнять условия
R
U
R
5 3
R R
⋅ =
(9.8)
75
Порядок выполнения работы
ВЫХ
UОС
0
K
⊳
1. Разработать схему однополупериодного выпрямителя с по-
ложительным и отрицательным выходным сигналом.
Варианты коэффициента (9.1) усиления схемы: 2; 3: 6; 8; 10; 12;
Варианты коэффициента (9.2) усиления схемы: 1; 2,5; 4: 6; 9; 15.
Измерить выходное напряжение в период отсутствия на выходе
полуволны сигнала.
2. Разработать схему двухполупериодного выпрямителя с
заданным коэффициентом усиления. При этом учитывать выражения (9.8).
Варианты коэффициента усиления схемы: 2; 2,5; 3; 5; 6; 8.
По диаграммам сигналов проверить соответствие расчетному ко-
эффициенту усиления.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 10
МНОГОКАСКАДНЫЕ УСИЛИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ.
ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ УСИЛИТЕЛЬНЫХ
СХЕМ
Общие сведения
Схема усилителя с коэффициентом усиления К0, охваченного отрицательной обратной связью, в общем случае имеет вид,
изображенный
на рис. 10.1.
Рис. 10.1. Структура усилителя, охваченного
UВХ
γ
отрицательной обратной связью
U
76
Операционный усилитель в интегральном исполнении содержит
, , ,
1 1 1
+ + +
1 1 1 2 2 2 3 3 3
, , .
R C R C R C
1
; ,
f
1
1
20lg 20lg 1 .
01
ВЫХ
1
R
С
R R
ВЫХ
2–3 усилительных каскада (дифференциальный усилитель, усилитель напряжения, усилитель мощности), инерционные свойства каждого из которых определяются эквивалентной RC-цепочкой. Поэтому эквивалентная схема операционного усилителя может представлять цепочку последовательно соединенных усилительных
каскадов с коэффициентами усиления К01, К02, К03 и цепочек R1C1,
R2C2, R3C3 (рис. 10.2).
UВХ
К
U
К
02
DA1
DA2
Рис. 10.2. Эквивалентная схема усилительной цепи
U
ВЫХ2
С
С3
2
К
03
DA3
U
Передаточные функции усилительных каскадов усилительной
цепи определяются выражениями
K K K
K p K p K p
( ) ( ) ( )
1 2 3
τ τ τ
где
= = =
= = =
01 02 03
p p p
τ τ τ
1 2 3
АЧХ и ФЧХ первого каскада определяются выражениями
где
fπτ=
1
C
K
A f f arctg
1 1
= = −
( ) ( )
1
01
f
+
ϕ
2
f
1
C
– так называемая частота сопряжения.
2
f
C
Выражение для ЛАЧХ этого каскада имеет вид
2
f
C
1
L f K
= − +
( )
1 01
f
Аналогичный вид имеют и выражения для частотных характери-
стик остальных каскадов усилительной цепи.
Графики ЛАЧХ и ФЧХ первого каскада изображены на рис. 10.3.
77
Рис. 10.3. Графики логарифмической амплитудно-частотной (сверху)
и фазочастотной (снизу) характеристик каскада усилительной цепи
Как видно из рассмотрения этого рисунка, график L1 ЛАЧХ с достаточной для практике точностью может быть аппроксимирован
двумя прямыми линиями La1 . ЛАЧХ и ФЧХ всей усилительной схемы определяются суммированием характеристик ЛАЧХ и ФЧХ
отдельных каскадов (рис. 10.4).
78
f
10
1
φ
φ
f
c
f
1 10
1 10
а
.
f '
80
L[дБ]
60
LΣ
40
L3
20
0
L1
L2
20
40
0.1
f
к
100
f
3
φ[π]
0
φ
φ3
0.5
1
1.5
0.1
1
100
f [кГц]
3
.
10
Рис. 10.4. Логарифмические амплитудно-частотные и фазочастотные
характеристики отдельных усилительных каскадов
и результирующие характеристики усилительной цепи
79
дБ, 20дБ, 30дБ ,
кГц , 20кГц , 30кГц .
L
Σ
K
Σ
K
Σ
1Kp
+
1Kp
+
1Kp
+
Коэффициенты усиления усилительных каскадов для рассмотренного примера равны
K K K= = =
10
01 02 03
а частоты сопряжения -
f f f
1 1 1
= = = = = =
1 2 3
c c c
2 2 2
πτ πτ πτ
Как видно из рассмотрения графика
10
1 2 3
результирующей харак-
теристики ЛАЧХ, она имеет несколько изломов, соответствующих
этим частотам сопряжения.
На рис. 10.4 показано, что на низких частотах (f < 10кГц) коэффициент усиления
схемы равен 60дБ (или
=1000).
Для практических целей интерес представляют частотные
характеристики всего тракта разомкнутой усилительной схемы с
учетом цепи обратной связи (рис. 10.5).
Фазочастотная характеристика этого тракта совпадает с фазочастотной характеристикой усилителя (в связи с безынерционностью цепи обратной связи). График логарифмической амплитудно-частотной характеристики усилительного тракта можно получить, если опустить график ЛАЧХ усилителя, построенный на рис. 4,
на величину отрезка 20lg γ или, что то же самое, поднять на такой
же отрезок ось абсцисс (частот) вверх. Новая ось частот f' изображена
на этом же рисунке.
Рассматривая построенные графики частотных характеристик
тракта, можно заметить, что на некоторой частоте fкр , называемой
критической, фазовый сдвиг тракта равен - π.
UВХ
01
τ
1
01
τ
1
01
τ
1
Рис. 10.5. Структурная схема всего тракта усилительной схемы
U
ВЫХ
UОС
γ
Учитывая, что звено отрицательной обратной связи само по себе
вносит сдвиг по фазе - π , можно определить результирующий фазовый сдвиг усилительного тракта на частоте f
80
кр
:
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]