МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Юго-Западный государственный университет»

(ЮЗГУ)

Кафедра конструирования и технологии

электронно-вычислительных средств

Лабораторная работа №4 по основам схемотехники на тему:

«ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАТОРА НА

ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ».

Выполнил студент группы СК-01 Гефнер В.В.

Проверил преподаватель Брежнева Е.О.

Курск – 2012

Содержание

1. 1 Наименование работы, цель исследований..........................................3

2. 2 Основные теоретические положения...................................................4

3. 3 Результаты исследований.....................................................................5

Лабораторная работа №4

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАТОРА НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ

7. 1 Цель работы:

8. Изучение особенностей функционирования и характеристик интегратора на операционном усилителе. Исследование проводится методом моделирования в среде OrCAD 9.2.

2 Основные теоретические положения

Для аналоговых устройств обработки сигналов при реализации операций интегрирования применяют схемы на операционных усилителях. Как правило, для этого используют инвертирующее включение ОУ (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема инвертирующего интегратора

По первому закону Кирхгофа с учетом свойств идеального ОУ следует для мгновенных значений: i₁ = - i_c. Поскольку i₁ = u₁/R, а выходное напряжение схемы равно напряжению на конденсаторе:

то выходное напряжение определяется выражением:

Постоянный член u_вых(0) определяет начальное условие интегрирования. Этой величиной можно управлять. Например, можно перед выполнением операции интегрирования разряжать конденсатор посредством замыкания его с помощью электронного ключа. Передаточную характеристику интегратора можно получить из передаточной характеристики инвертирующего усилителя, заменой величины сопротивления обратной связи операторным сопротивлением конденсатора Z_ос(s)=1/(sC).

(1)

Заменив s на j, перейдём к частотной характеристике интегратора.

(2)

Сопоставление АЧХ интегратора и АЧХ операционного усилителя позволяет сделать вывод о том, что в области частот от частоты среза F_СР до частоты единичного усиления F₁ глубина обратной связи и, следовательно, частотная ошибка остаётся практически постоянной. В области ниже частоты среза погрешность интегрирования возрастает. В этой области интегратор представляет собой фильтр низких частот первого порядка с коэффициентом усиления K_U и постоянной времени (1+K_U)RC. Погрешность интегрирования зависит также от величины напряжения смещения и входного тока операционного усилителя. Отличие этих величин от нуля приводит к тому, что при нулевом напряжении на входе интегратора, ток через конденсатор не равен нулю и наблюдается относительно медленное изменение напряжения на нём и выходе интегратора.

3 Результаты исследований

В соответствии с порядковым номером в журнале преподавателя рассчитаем номинальные значения сопротивления и ёмкости инвертирующего интегратора.

R1=50+10n КОм, С=50-1n нФ, где n – порядковый номер, n=1;

R1=60 Ком; C=49 нФ

Сопротивление резистора R2 всегда должно быть равно сопротивлению резистора R1, следовательно, R2=60 КОм.

Тип операционного усилителя остаётся тем же, что и в предыдущих лабораторных работах, - AD648B.

На основе полученных данных соберём схему интегратора:

Рисунок 2 - Схема исследуемого интегратора

Временная диаграмма напряжения на выходе:

Из полученной диаграммы:

U_вых= -0.054В

Рассчитаем выходное напряжение интегратора через его коэффициент передачи, представленный выражением 2.

K(jω)= -1/jωRC= -1/2π×100×2940×10^-6= -0.54

U_вых= K(jω) ×U_вх= -0.54×0.1= -0.054В

Расчетное значение выходного напряжения и значение, полученное из диаграммы, имеют одинаковое значение.

Определим величину постоянного тока конденсатора, вызванного входным током операционного усилителя:

I_к=U_вых/Z_oc(s)= U_вых×s×C= (-0.054) × (-2π×100) ×49×10^-9=1.7мкА.

Временная диаграмма постоянного тока конденсатора:

I_к=1.7мкА

Расчетное значение постоянного тока конденсатора и значение, полученное из диаграммы, имеют одинаковое значение.

Заменим источник сигнала источником переменного напряжения:

Рисунок 3 - Схема исследуемого интегратора с источником сигнала переменного напряжения

Рисунок 4 - АЧХ исследуемого интегратора с источником сигнала переменного напряжения

Рисунок 5 - Схема исследуемого интегратора с источником импульсных сигналов

Временная диаграмма напряжения на выходе интегратора:

Из диаграммы видно, что U_вых=6.8 В

Диаграмма имеет такой вид из-за влияния закона коммутации: напряжение на емкости при корректной коммутации не может изменяться скачком.

Рассчитаем по формуле (3) амплитуду выходного напряжения

(3)

U_вых= = 6,8 В

Амплитуда выходного напряжения полученная из временной диаграммы и рассчитанная по формуле (3) имеют равные значения.

Уменьшим сопротивление резистора R₁ в 2 раза:

Из временной диаграммы видно, что форма импульса осталась прежней, а амплитуда увеличилась в 2 раза.

Крутизна фронта/спада импульсов равна 680 В/с

Восстановим значение резистора R₁

Временная диаграмма получилась идентичной предыдущей, что легко проверить подставив необходимые значения в формулу (3).