САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
НАПРАВЛЕНИЕ
«ПРИКЛАДНЫЕ МАТЕМАТИКА И ФИЗИКА»
Описание лабораторной работы
УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ НИЗКОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ
Санкт-Петербург
2008 Г.
Оглавление
Введение 3
Усилители низкочастотных сигналов. 3
Инвертирующий усилитель 3
Неинвертирущий усилитель 4
Повторитель напряжения 6
Генераторы сигналов на ОУ 6
Генератор гармонических сигналов (с мостом Вина) 7
Генератор сигналов прямоугольной формы (мультивибратор) 10
Выполнение экспериментальных измерений 15
Описание экспериментальной установки. 15
Задание к работе 15
Литература 15
Введение
В данной лабораторной работе изучается работа усилителей и генераторов низкочастотных сигналов, собранных на базе операционных усилителей. Одновременно с этим производится компьютерное моделирование данных устройств в среде Simulink. Способ построения Simulink-модели и осноные сведения по операционным усилителям приведены в описании к лабораторной работе №3 «Активные фильтры».
Усилители низкочастотных сигналов.
На основе операционных усилителей могут быть реализованы схемы усиления различного типа: инвертирующие и неинвертирующие усилители, повторители, предназначенные для согласования различных участков схем и др. устройства. Коэффициент усиления определяется обратной связью и практически не зависит от собственного коэффициента усиления ОУ К0. Для того чтобы коэффициент усиления схемы был постоянным в большом диапазоне частот, мы будем использовать частотнонезависимую обратную связь.
Инвертирующий усилитель
Схемы усилителей можно разделить на инвертирующие и неинвертирующие. В инвертирующем усилителе входной сигнал подается на «-» вход ОУ и на выходе получается сигнал обратной полярности. В неинвертирующем усилителе входной сигнал подается на «+» вход ОУ и на выходе его полярность сохраняется.Схема инвертирующего усилителя изображена на рис.1. Коэффициент усиления этой схемы определяется по формуле:
Входное сопротивление такого усилителя равно R1, т.к. именно на сопротивлении R1 падает практически все напряжение входного сигнала.
Рис.1. Инвертирующий усилитель.
Неинвертирущий усилитель
На рис. 2. изображен неинвертирующий усилитель, на «+» вход которого подается сигнал, прошедший через фильтр высоких частот (чтобы не пропустить постоянное напряжение). Неинвертирующий усилитель применяется в тех случаях, когда требуется усилить входной сигнал, сохранив его полярность. Рассмотрим Рис. 2. Усиливаемый сигнал подается на вход «+». Часть выходного сигнала через резистор обратной связи R2 поступает на вход «-». Так как на вход «-» ОУ поступает сигнал той же полярности, что и на вход «+», разностный сигнал оказывается меньше входного, что ведет к уменьшению усиления.
Рис.2. Неинвертирующий усилитель переменного напряжения.
Выражение для коэффициента передачи усилителя с такой отрицательной обратной связью будет
.
Из этого выражения следует, что от свойств цепи обратной связи существенно зависит величина коэффициента передачи усилителя. Коэффициент передачи цепи обратной связи вычисляется по формуле
и, следовательно, учитывая в, что коэффициент усиления ОУ К0 очень большой, можно получить выражение для коэффициента передачи усилителя
. (1)
Заметим, что коэффициент усиления в данном случае не зависит от частоты.
Нижний предел полосы пропускания определяется величиной емкости С и сопротивлением R3, т.е. граничной частотой фильтра высоких частот на входе ОУ:
.
Рис.3. Модель неинвертирующего усилителя в SPS.
Рис. 5. Сигнал на выходе неинвертирующего усилителя
Верхний предел полосы пропускания определяется свойствами самого ОУ, емкостью и сопротивлением нагрузки и выходным сопротивлением ОУ.
Рассмотрим модель неинвертирующего усилителя в SPS, изображенную на Рис. 4. Сопротивления R1 и R2 взяты 104 Ом и 50*104 Ом соответственно. С и R3 выберем так, чтобы fн = 100 Гц (С = 100 мкФ, R3 = 103/2π). На вход от источника Chirp подается синусоидальный сигнал с линейно изменяющейся частотой и амплитудой 0,1 В. Частота меняется от 0 до 8 кГц за промежуток времени 20 мс (это совпадает с временем моделирования).
Напряжение на выходе этой схемы показано на Рис. 5. К моменту времени t = 10 мс частота сигнала становится равной 4 кГц, граничной частоты сигнал достигает при t = 100 Гц*20 мс/8кГц = 0,25 мс.