ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНОГО ИНТЕГРАТОРА

1

ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНОГО ИНТЕГРАТОРА.

Цель работы: Изучить устройство и работу активного интегратора.

Приобрести навыки компьютерного моделирования радиоэлектронных устройств с помощью программы ElectronicsWorkbench и навыки проведения натурного эксперимента и работы с радиоизмерительными приборами. С помощью натурного эксперимента подтвердить репрезентативность компьютерного моделирования.

Приборы и материалы: ПК 486 модели, дискета 3,5``,

макет активного интегратора, генератор низкочастотный Г3112, два электронных милливольтметра В3-38 (В3-13), двухлучевой осциллограф С1-55, фазометр Ф2-4, коаксиальный тройник, соединительные 50-омные коаксиальные кабели.

Краткая теория. Интегратор является антиподом дифференциатора. Он

2

выполняет противоположное математическое действие – интегрирование. Активный интегратор представляет собой интегрирующий усилитель. Наша схема спроектирована на базе операционного усилителя µА741 (140УД7)

Выходное напряжение схемы определяется выражением:

Uвых= R1C ∫t Uвхdt

1 1 0

Погрешность интегрирования, обусловленная конечным значением коэффициента усиления, определяется по формуле:

где t – время интегрирования, Rвх=400 кОм.

Из этого выражения можно определить величину сопротивления резистора R1 и ёмкости конденсатора С1, которые при заданном времени интегрирования обеспечивают требуемую точность интегрирования. Интегрирующий усилитель устойчив при изменении ёмкости конденсатора С1 от 100 пФ до 20 мкФ.

Сущность процесса интегрирования заключается в следующем. Конденсатор заряжается импульсом через токоограничивающий резистор, а затем разряжается через сопротивление нагрузки. С повышением частоты растёт его ёмкостное сопротивление. Таким образом, при интегрировании происходит уменьшение скорости изменения сигнала и сглаживание фронта и среза импульсов. Энергия импульса при этом перераспределяется в пользу

3

низкочастотных составляющих сигнала. Интегрирующая цепь характеризуется постоянной времени τ=R1C1

Активный интегратор имеет огромное преимущество перед пассивным. Он приближается к идеальному интегратору тем сильнее, чем больше коэффициент усиления по напряжению у его операционного усилителя. При этом погрешность интегрирования меньше той что даёт пассивная цепь в число раз, равное коэффициенту усиления по напряжению операционного усилителя при одинаковом выходном напряжении Uвых=Uвхt/RC, то есть при одинаковом времени интегрирования. Выигрыш в точности можно интерпретировать иначе: при одинаковых допустимых погрешностях интегрирование операционным усилителем постоянного уровня может длиться в Кун раз большее время t, чем пассивной RC-цепью, что обеспечивает в Кун раз большее выходное напряжение.

Так выглядит наш интегратор в рабочем окне программы

Electronics Workbench v.5.12.

4

Посмотрим осциллограммы входного и выходного сигналов. Входной меандр изображён синим цветом в верхней половине экрана, а отклик на выходе цепи – красным цветом в нижней половине экрана.

При достаточно малой ёмкости интегрирующего конденсатора 1000 пФ интегрирования не происходит. Импульсы проходят через него не изменяясь, то есть конденсатор работает как разделительный, а интегратор - как усилитель.

5

При увеличении ёмкости интегрирующего конденсатора увеличивается степень интегрирования импульсов. При 0,05 мкФ достигается полное интегрирование.

6

7

На этой картинке мы видим результат неполного интегрирования меандра. Ёмкость 6800 пФ.

Теперь посмотрим АЧХ и ФЧХ нашего интегратора и убедимся, что он является одновременно также и фильтром нижних частот.

На АЧХ виден явный завал высоких частот, то есть интегратор является ФНЧ.

Порядок выполнения работы. Сначала выполняется компьютерное моделирование, а затем – натурный эксперимент. Включите компьютер, загрузите программу EWB, откройте файл «активный интегратор.ewb». Путь к файлу диск С: \ Program Files \ Ewb512 \ Circuits \ схемы \ активный интегратор.ewb. Запустить процесс симуляции щелчком левой кнопки мышки по выключателю, расположенному в верхнем правом углу экрана. Активируйте осциллограф, щелкнув левой

8

кнопкой мышки по его значку в схеме и выбрав в появившемся меню пункт «Open» (открыть). У осциллографа настройте вертикальное отклонение лучей, скорость развёртки, смещения по осям Х и Y так, чтобы удобно было наблюдать сигналы на входе и на выходе схемы. Параметры меандра, подаваемого с генератора функций: частота 150 Гц, амплитуда 1В.

Вызывая контекстное меню щелчком правой кнопки мышки по интегрирующему конденсатору и выбирая пункт «Component properties» последовательно меняйте ёмкость конденсатора, выбирая значения 1000 пФ, 6800 пФ, 0,05 мкФ. Как меняется при этом вид осциллограммы?

Пользуясь окном «AC-frequency» из меню «Analysis»,

снимите АЧХ и ФЧХ интегратора с каждым из конденсаторов. По виду АЧХ докажите, что он одновременно является и ФНЧ.

Схему интеграторатора, осциллограммы, спектрограммы, АЧХ и ФЧХ рекомендуется сохранить на дискете для последующего отчёта, оформляемого в текстовом редакторе Microsoft Word.

ВНИМАНИЕ! ПЕРЕД ЗАВЕРШЕНИЕМ РАБОТЫ С ПРОГРАММОЙ EWB ВО ИЗБЕЖАНИЕ ПОРЧИ СХЕМНЫХ ФАЙЛОВ ИЗМЕНЕНИЯМИ, ВНЕСЁННЫМИ В СХЕМЫ В ПРОЦЕССЕ ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ, УБЕРИТЕ ЭТИ ИЗМЕНЕНИЯ ЛИБО ВЫБРАВ ОПЦИЮ «REVERT TO SAVED» (ВЕРНУТЬСЯ К СОХРАНЁННОМУ) В

МЕНЮ «FILE», ЛИБО НА ЗАПРОС «SAVE CHANGES…? (СОХРАНИТЬ ИЗМЕНЕНИЯ В ТАКОЙ-ТО СХЕМЕ?) ОТВЕТИТЬ «NO» (НЕТ).

9

Теперь перейдём к натурному эксперименту. Надо подключить макет активного интегратора к блоку питания. К входу и выходу активного интегратора подключить осциллограф. У осциллографа настройте вертикальное отклонение лучей, скорость развёртки, смещения по осям Х и Y так, чтобы удобно было наблюдать сигналы. Вращая рукоятку галетного переключателя и включая разные конденсаторы в интегрирующую цепь, наблюдайте за изменениями картинки на экране осциллографа. Сравните результаты натурного эксперимента и компьютерного моделирования.

Теперь надо снять три раза АЧХ при разных положениях галетного переключателя, устанавливая на входе дифференциатора гармонический сигнал с генератора Г3-112 с постоянным уровнем контролируя его первым милливольтметром и замеряя уровень выходного сигнала вторым электронным милливольтметром В3-38 на частотах

10,100, 1000 Гц, 1, 10, 20, 200, 500 кГц

частоту среза интегратора как фильтра нижних частот и сравните с результатом компьютерного моделирования. Как влияет изменение ёмкости на частоту среза?

Результаты рекомендуется оформить в виде электронной таблицы и графика в программе Microsoft Excel, которые затем вставляются в отчёт в редакторе Microsoft Word.

10

Теперь с помощью фазометра надо снять три ФЧХ в тех же точках,что и АЧХ и оформить аналогичным образом в отчёте.

Контрольные вопросы:

1.В чём заключается физический смысл процесса интегрирования?

2.Как влияет на процесс дифференцирования постоянная времени интегрирующей цепи ?

3.Как можно объяснить частотноизбирательные свойства интегратора?

4.Как влияет операционный усилитель на процесс интегрирования?

Литература:

1.Достал Иржи. Операционные усилители: пер. с англ. – М.:

Мир, 1982. – 512 с., ил.

2.Кар Дж. Проектирование и изготовление электронной аппаратуры: Пер. с англ. – 2-е изд. стереотип, - М.: Мир, 1986. – 387 с., ил.

Кардашев Г.А. Виртуальная электроника. Компьютерное моделирование аналоговых устройств. – М.: Горячая линия – Телеком, 2002. – 260 с., ил.

3.Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM РС. Программа Electronics Workbench и ее применение. –

М.:Солон – Р, 2001 – 726 с., ил.

4.Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника (полный курс): Учебник для вузов/Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров; Под ред. О.П. Глудкина. – М.: Горячая линия – Телеком, 2002. – 768 с., ил.