Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Схемотехника телекоммуникационных устройств. Учебное пособие.pdf
41
По экспериментальным данным построить график амплитудно-
частотной характеристики – зависимость коэффициента передачи по
напряжению Ku от частоты F, по которому определить частотную по-
лосу пропускания неинвертирующего усилителя. Частотная полоса
пропускания усилителя определяется на уровне
2
1
max u
K
, что соот-
ветствует частоте среза fc.
6. Определить частотную полосу пропускания инвертирующего
усилителя при максимальном сигнале на входе – 1,4 В, в соответствии
с п. 5. Экспериментальные данные занести в табл. 2.3.
а) б)
Рис. 2.4. Принципиальная электрическая схема инвертирующего
усилителя (а) и усилителя с конденсатором на входе (б)
2.3. Экспериментальные данные амплитудно-частотной
характеристики инвертирующего усилителя
при максимальном уровне входного сигнала
F, кГц
U
вых
, В
7. Выполнить оценку коэффициента усиления инвертирующего
усилителя при переменном входном сигнале. Для этого на вход усилителя при подаче сигнала подключается конденсатор С.
Неинвертирующий усилитель.
1. С помощью переключателей на лабораторном стенде (рис. 2.3)
подключить схему неинвертирующего усилителя (рис. 2.5, а).
42
2. Выполнить расчет инвертирующего усилителя по следующим
исходным данным: Ku = 11; K0 = 5 105; Rн = 100 кОм; ТКЕ = 50 мкВ/К;
Uсм = 50 мВ; напряжение входного сигнала Ес = (0,1; 1; 1,4 В); С –
1 мкФ. В процессе расчета определить: Rос, R1, R
бал
, K
peал
, β, ΔU
вых.
3. В процессе экспериментального исследования установить мак-
симальное значение входного сигнала с использованием цифрового
вольтметра и определить Ku неинвертирующего усилительного каскада.
4. Экспериментально снять проходную характеристику неинвер-
тирующего усилителя. Для этого на вход подключить генератор переменного сигнала, а на выход – цифровой вольтметр. Данные эксперимента
занести в табл. 2.4. Входной сигнал изменять с шагом 0,1 В от 0 до 1,4 В.
2.4. Экспериментальные данные проходной характеристики
неинвертирующего усилителя
Uвх, В
U
вых
, В
По экспериментальным данным построить график проходной ха-
рактеристики и определить коэффициент усиления неинвертирующего
усилителя по напряжению.
5. Снять амплитудно-частотную характеристику для среднего
уровня сигнала на входе (0,7 В). Для снятия амплитудно-частотной
характеристики на вход неинвертирующего усилителя подключить
генератор переменного сигнала, а на выход – цифровой вольтметр и
осциллограф.
Полученные экспериментальные данные занести в табл. 2.5.
а) б)
Рис. 2.5. Принципиальная электрическая схема усилителя:
а – неинвертирующего; б – переменного напряжения
43
2.5. Экспериментальные данные амплитудно-частотной
характеристики неинвертирующего усилителя
F, кГц
U
вых
, В
По экспериментальным данным построить график амплитудно-
частотной характеристики – зависимость коэффициента передачи по
напряжению Ku от частоты F. По графику установить частотную полосу пропускания неинвертирующего усилителя, которая определяется
на уровне
2
1
max u
K
, что соответствует частоте среза fc.
6. Определить частотную полосу пропускания неинвертирующего
усилителя при максимальном сигнале на входе – 1,4 В, в соответствии
с п. 5. Экспериментальные данные занести в табл. 2.6.
2.6. Экспериментальные данные амплитудно-частотной
характеристики неинвертирующего усилителя
при максимальном уровне входного сигнала
F, кГц
U
вых
, В
7. Выполнить оценку коэффициента усиления неинвертирующего
усилителя при переменном входном сигнале. Для этого на вход усилителя при подаче сигнала подключается конденсатор С.
Провести анализ искажений входного сигнала неинвертирующим
усилителем.
Дифференциальный усилитель.
1. С помощью переключателей на лабораторном стенде (рис. 2.3)
подключить схему дифференциального усилителя (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Принципиальная электрическая схема дифференциального усилителя
44
2. Экспериментально снять проходную характеристику диффе-
ренциального усилителя. Для этого на входы усилителя подключить
источники постоянного напряжения, а на выходы – цифровые вольтметры. Уровень входного сигнала по входу 1 изменять с шагом 0,2 В
от 0 до 2 В, уровень сигнала по второму входу усилителя изменять с
шагом 0,2 В от 0 до 1 В. Данные эксперимента занести в табл. 2.7.
2.7. Экспериментальные данные проходной характеристики
дифференциального усилителя
U
вх1
, В
U
вых
, В
U
вх2
, В
По экспериментальным данным построить графики проходной
характеристики и рассчитать коэффициент усиления по напряжению.
5. Снять амплитудно-частотную характеристику для среднего
уровня сигнала на входе (0,7 В). Для снятия амплитудно-частотной
характеристики на вход дифференциального усилителя подключить
генератор переменного сигнала, а на выход – цифровой вольтметр и осциллограф. Полученные экспериментальные данные занести в табл. 2. 8.
2.8. Экспериментальные данные амплитудно-частотной
характеристики дифференцирующего усилителя
при среднем уровне входного сигнала
F, кГц
U
вых
, В
F, кГц
По экспериментальным данным построить амплитудно-частотную
характеристику и определить частотную полосу пропускания усилителя.
6. Определить частотную полосу пропускания дифференциально-
го усилителя при максимальном сигнале на входе – 1,4 В, в соответствии с п. 5. Экспериментальные данные занести в табл. 2.9.
2.9. Экспериментальные данные амплитудно-частотной
характеристики дифференцирующего усилителя
при максимальном уровне входного сигнала
F, кГц
U
вых1
, В
F, кГц
45
Содержание отчета
1. Наименование и цель лабораторной работы.
2. Принципиальные электрические схемы усилительных устройств
на основе операционного усилителя: инвертирующего, неинвертирующего и дифференциального усилителей.
3. Графики проходных характеристик инвертирующего, неинвер-
тирующего и дифференциального усилителей.
4. Расчетные параметры усилительных устройств на основе экс-
периментальных данных.
5. Графики амплитудно-частотных характеристик инвертирующе-
го, неинвертирующего и дифференциального усилителей.
6. Результаты определения частотной полосы пропускания рас-
смотренных усилительных устройств на основе операционного усилителя.
7. Выводы по результатам выполнения лабораторной работы.
Контрольные вопросы
1. Какая обратная связь формируется в результате подсоединения
резистора между выходом инвертирующим звеном и выходом операционного усилителя?
2. Для каких целей применяется инвертирующий усилитель?
3. Как рассчитывается резистор R
бал
и для чего применяется в
схеме дифференциального усилителя?
4. Назовите способ устранения температурного дрейфа нуля операционного усилителя.
5. Для каких целей применяется неинвертирующий усилитель на
основе операционного усилителя?
6. Почему не инвертирующий усилитель имеет высокое входное
сопротивление?
7. Как выполняется расчет погрешности в результате действия
синфазного сигнала на входе операционного усилителя?
8. Почему неинвертирующий усилитель можно применять в качестве измерительного?
9. Для каких целей применяется дифференциальный усилитель на
основе операционного усилителя?
10. Как рассчитать коэффициент усиления для рассмотренных
усилительных устройств?
11. Как определяется частотная полоса пропускания по экспериментальной амплитудно-частотной характеристике?
46
Лабораторная работа 3
ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА НА БАЗЕ
ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
Цель работы: исследовать импульсные схемы на базе операционных усилителей: компаратора, мультивибратора и ждущего мультивибратора.
Краткие теоретические сведения
Компаратор, мультивибратор и ждущий мультивибратор на основе операционного усилителя предназначены для реализации импульсных режимов работы электронных устройств.
1. Компаратор служит для сравнения подаваемых на входы опе-
рационного усилителя напряжений: входного Uвх и опорного Uоп.
Принципиальная электрическая схема однополярного компаратора
приведена на рис. 3.1, а [1]. Если в результате сравнения указанных
напряжений их разница U
вх – Uоп
˃ 0, то компаратор переключается в
состояние отрицательного ограничения, как показано на графике работы компаратора на рис. 3.2, б. Если разница входного и опорного
напряжений U
вх
– Uоп ˂ 0, то компаратор переключается в состояние
положительного ограничения (рис. 3.2, б). Операционный усилитель
изменяет свое состояние на выходе при равенстве входных напряжений Uвх = Uоп.
а)
Рис. 3.1. Принципиальная электрическая схема однополярного
компаратора (а) и график его работы (б) (начало)
47
б)
Рис. 3.1. Продолжение
2. Мультивибратор. Мультивибратор служит для формирования
прямоугольных импульсов. Принципиальная электрическая схема мультивибратора приведена на рис. 3.2, а [8], график работы – на рис. 3.2, б.
а)
б)
Рис. 3.2. Принципиальная электрическая схема мультивибратора (а) и
график работы (б)
t
t
U
–U
*
E
oп
U
+U
*
48
Принцип действия мультивибратора заключается в следующем.
В мультивибраторе действуют цепь отрицательной обратной связи,
реализуемая элементами R и C, которая формирует лавинообразное
переключение мультивибратора из состояния отрицательного ограничения в положительное и обратно, а также цепь положительной обратной связи по неинвертирующему входу на элементах R. Положительная обратная связь определяет длительность нахождения мультивибратора в каждом из указанных состояний. При заряде конденсатора C
увеличивается напряжение на инвертирующем входе операционного
усилителя и по положительной обратной связи поступает на не инвертирующий вход усилителя. При равенстве напряжений на входе усилителя мультивибратор скачкообразно переключается в противоположное состояние, как показано на рис. 3.2, б.
Период колебаний мультивибратора определяется по формуле
12ln2
о
п
T
, (3.1)
где
43
RRС
‒ длительность формируемых импульсов;
43
3
п
RRR
– коэффициент цепи положительной обратной связи;
21
1
о
RRR
– коэффициент цепи отрицательной обратной связи.
3. Ждущий мультивибратор.
Принципиальная электрическая схема ждущего мультивибратора
представлена на рис. 3.3. Исходное состояние мультивибратора,
например состояние положительного ограничения, задается при подаче отрицательного напряжения на инвертирующий вход операционного усилителя через резистор R. В этот момент диод VD1 открывается,
препятствуя заряду конденсатора C. При подаче на вход мультивибратора запускающего импульса – отрицательного (в соответствии с
включением диода VD2) и короткого, через дифференцирующую цепь
CвхR
вх
на выходе операционного усилителя увеличивается напряжение,
которое через цепь положительной обратной связи R1R2 поступает на
неинвертирующий вход усилителя. Увеличение напряжения на данном
входе продолжается до момента равенства его с напряжением на инвертирующем входе. При равенстве напряжений на входах операционный усилитель переключается в состояние отрицательного ограничения. При этом диод VD1 закрывается и начинается заряд конденсатора
C через резистор R. В этом случае возрастает напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя до момента равенства его с
напряжением на неинвертирующем входе, при котором усилитель переключается в состояние положительного ограничения, диод
49
Рис. 3.3. Принципиальная электрическая схема ждущего
мультивибратора
VD1 открывается, препятствуя заряду конденсатора C. В данных усло-
виях ждущий мультивибратор сохраняет состояние на выходе операционного усилителя до прихода следующего запускающего импульса
и вышеописанные процессы повторяются.
Описание лабораторного стенда
Лабораторный стенд для изучения импульсных схем на основе
операционного усилителя включает следующие структурные компоненты: операционный усилитель, имеющий двухполярное электропитание ±15 В, встроенный источник питания ±15 В, устройства на основе операционного усилителя: компаратор, мультивибратор, ждущий
мультивибратор, которые структурно формируются подключением к
операционному усилителю с помощью переключателей SB1 – SB7.
Для установки нуля операционного усилителя на лабораторном стенде
подключены соответствующим образом ко входам установки нуля
усилителя и источнику питания переменные резисторы R0 и R
бал
.
На лабораторном стенде приведена информация на стенде о
клеммах для подачи входных напряжений и контроля входных и выходных сигналов: мультивибратора U
вх.ин
– 1А, 1Б; ждущего мульти-
вибратора U
вх.неин
– 2А, 2Б; компаратора U
вх1 ДУ
– 3А, 3Б; U
вх2 ДУ .
– 4А,
4Б; клеммы для контроля выходного напряжения U
вых –
6А, 6Б и клем-
мы корпуса – 7А, 7Б; U
вх.неин
– 2А, 2Б; компаратора U
вх1 ДУ
– 3А, 3Б;
U
вх2 ДУ
– 4А, 4Б; клеммы для контроля выходного напряжения U
вых –
6А, 6Б и клеммы корпуса – 7А, 7Б. На стенде также предусмотрены
переключатели «Сеть» и «Питание ОУ» – питание операционного усилителя.
Схема лабораторного стенда по изучению импульсных устройств
на основе операционного усилителя приведена на рис. 3.4.
50
Порядок выполнения работы
Аналоговый компаратор.
1. Собрать схему однополярного компаратора (рис. 3.1) для сле-
дующих данных: опорное напряжение U
oп
= 2 B; U
вх
= 5 B; Rн = 100 кОм;
Rl = l кОм; R2 = 1 МОм.
2. Зарисовать эпюры напряжений на входе и выходе с экрана осциллографа. Сделать выводы о стабильности работы схемы при гармоническом сигнале на входе.
Рис. 3.4. Схема лабораторного стенда для исследования
импульсных схем на ОУ