Электронные и микропроцессорные устройства / Dg2

УДК 621.314

Составитель С.В. Мятеж

Рецензент канд. техн. наук, доцент М.В. Калугин

Работа подготовлена на кафедре электротехнических комплексов

Мятеж С.В.

Электронные и микропроцессорные устройства: Метод. указ. к лаб. работам. – Новосибирск:

Новосибирский государственный

технический университет, 2009

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Лабораторная работа № 1. Исследование характеристик электронных устройств на основе операционных усилителей.......................................................

Лабораторная работа № 2. Исследование цифровых логических

устройств.........................................................

Лабораторная работа № 3. Изучение основ программирования

микроконтроллеров на языке ассемблер......

Лабораторная работа № 4. Программирование микроконтроллеров на

испытательном стенде....................................

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА.............................................................

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОННЫХ

УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Цель работы - исследовать основные характеристики ОУ и электронных устройств, построенных на основе ОУ: инвертирующего и неинвертирующего усилителей сигнала, сумматора, компаратора, интегратора, дифференциатора.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом (два входа: инвертирующий и неинвертирующий) и, как правило, единственным выходом (рис.1). Кроме того, любой ОУ имеет два вывода для подключения к источнику питания Uпит.( ) и Uпит.( ) .

Рис. 1. Обозначения выводов ОУ

Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ, они необходимы для его функционирования. Зарубежные обозначения выводов ОУ могут быть различными, в зависимости от сложившихся стандартов. Например «V+» - неинвертирующий вход, «V−» - инвертирующий вход; «Vout» - выход; «VS+» - плюс источника питания (также может обозначаться как VDD, VCC, или VCC+); «VS−» минус источника питания (также может обозначаться как VSS, VEE, или VCC-)

Диапазон напряжений источников питания для ОУ достаточно широк. Для большинства ОУ типично двуполярное питание напряжением от ±1,5 В до ±15 В.

Напряжение питания определяет максимальную величину выходного напряжения.

Часто выводы питания не рисуют на принципиальных электрических схемах с целью их упрощения. Помимо этого, некоторые ОУ могут иметь дополнительные выводы, предназначенные для установки тока покоя, частотной коррекции, балансировки (коррекции смещения) и ряда других функций.

ОУ имеет высокий коэффициент усиления (десятки и сотни тысяч),

благодаря которому он почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью (ООС), полностью определяющей свойства полученной схемы. Как исключение применения ОУ без ООС можно привести пример простейшего аналогового компаратора и триггера Шмитта, который взамен ООС имеет положительную обратную связь (ПОС).

В настоящее время ОУ получили широкое применение, как в виде отдельных микросхем (чипов), так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

Рис. 2. Конструктивное исполнение операционных усилителей

Усилитель постоянного тока (УПТ) — электронный усилитель, рабочий диапазон частот которого включает нулевую частоту (постоянный ток). В

подавляющем большинстве случаев УПТ является усилителем не тока, как следует из названия, а напряжения. На практике часто УПТ выполняют на базе ОУ.

Отрицательная обратная связь (ООС) — тип обратной связи, при которой входной сигнал системы изменяется таким образом, чтобы противодействовать изменению выходного сигнала. ООС делает систему более устойчивой к случайному изменению параметров.

Основные требования к ОУ сводятся к тому, чтобы он как можно ближе соответствовал идеальному ОУ. Это позволит не только улучшить технические характеристики электронных устройств, построенных на базе ОУ, но и существенно упростить вывод расчетных соотношений, необходимых для анализа функционирования.

Идеальный ОУ должен обладать следующими характеристиками:

1. Бесконечно большим коэффициентом усиления, КОУ . Это означает, что свойства электронного устройства, построенного на базе такого ОУ, будут определяться не самим ОУ, а параметрами внешних ООС или ПОС, которые при необходимости настройки легко изменять. Учитывая, что ОУ имеет дифференциальный вход, под КОУ обычно понимают способность усиливать дифференциальные сигналы (разность входных напряжений)

2.Бесконечно большое входное сопротивление, Rвх.инв. Rвх.неинв. . Это означает,

что токи, протекающие через эти входы, равны нулю, Iвх.инв. Iвх.неинв. 0.

3. Бесконечно малое выходное сопротивление, Rвых 0. Это означает, что выходной ток (обусловлен подключенной к выходу ОУ нагрузкой) не влияет на выходное напряжение.

4. Бесконечно большая скорость нарастания напряжения на выходе ОУ,

ΔUвых , характеризует идеальное быстродействие ОУ. Это означает, что

Δt

такой ОУ способен усиливать входные сигналы без искажений.

5.Бесконечно широкая полоса пропускания ОУ. Это означает, что частотный диапазон сигналов, которые ОУ способен обработать, должен простираться от постоянного напряжения до бесконечно высоких частот.

Вреальности ОУ обладают конечными значениями по перечисленным характеристикам, которые приводятся в справочной литературе.

Компаратор. Это электронное устройство, сравнивающие по величине два входных напряжения. Компаратор может быть построен на базе ОУ без применения ООС и ПОС (рис. 3).

и даже при малой разнице входных напряжений, напряжение на выходе ОУ будет

Uвых либо Uвых в зависимости от результата по выражению (1).

Однако практически на выходе ОУ формируется выходной сигнал, ограниченный напряжением источника питания, и принимающий, поэтому одно из дискретных состояний, близких к Uпит.( ) либо Uпит.( ) . Таким образом, для компаратора

Uвых Uпит( ) , если Uвх. неинв. Uвх. инв.

(2)

Uвых Uпит( ) , если Uвх. инв. Uвх. неинв.

При этом ОУ работает преимущественно в области положительного или отрицательного ограничения выходного напряжения, проходя область усилительного режима. Если один из входов компаратора подключить к источнику эталонного (порогового) напряжения, а на другой подавать некоторый сигнал для сравнения с эталоном, то функциональное назначение компаратора будет заключаться в изменении состояния выхода при достижении этим сигналом величины эталонного (порогового) значения.

Неинвертирующий усилитель. Это электронное устройство, которое усиливает входной сигнал в заданное число (К) раз и может быть построено на базе ОУ с использованием ООС по напряжению (рис. 4). Прирост напряжения на входе неинвертирующего усилителя вызывает пропорциональный прирост напряжения на его выходе.

Рис. 4. ОУ в роли неинвертирующего усилителя

Поскольку для ОУ Uпит(-) Uвых Uпит( ) , а КОУ , то согласно (1) можно считать, что Uвх.неинв. Uвх.инв. 0 или Uвх.неинв. Uвх.инв.. Следовательно, напряжение

на инвертирующем входе ОУ, согласно схемы рис.4

откуда коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

определяется только внешними элементами ООС.

Повторитель напряжения. Это электронное устройство, которое не усиливает (только повторяет) входное напряжение. Обладая большим входным сопротивлением, и малым выходным, повторитель напряжения, выступая как промежуточное звено, согласует работу отдельных элементов устройства

(датчиков, индикаторов и др.), «развязывая» входной и выходной сигналы, и, не изменяя по величине напряжения сигналов, при необходимости усиливая ток.

Повторитель напряжения можно построить на базе ОУ по схеме неинвертирующего усилителя, согласно (3), как частный случай при R2 =0.

Инвертирующий усилитель. Это электронное устройство, которое усиливает входной сигнал в заданное число (К) раз. Прирост напряжения на входе неинвертирующего усилителя вызывает пропорциональный прирост напряжения на его выходе с противоположным знаком. Схема инвертирующего усилителя,

который можно построить на базе ОУ, показана на рис. 5.

Рис. 5. ОУ в роли инвертирующего усилителя

В данной схеме ОУ так же охвачен ООС, причем на инвертирующий вход ОУ по схеме подается сигнал, определяемый суммой входного и выходного напряжений делителем на сопротивлениях R1, R2. Так как Uвх.неинв. 0, поскольку неинвертирующий вход соединен с общим выводом, а

Uвх.инв. 0. В результате для схемы рис. 5 можно записать уравнение

Знак “минус” в выражении (4) означает, что выходное напряжение инвертирующего усилителя находится в противофазе с входным напряжением.

Суммирующий усилитель (сумматор). Это электронное устройство,

которое позволяет выполнять арифметическое сложение нескольких входных напряжений, причем каждое из этих напряжений предварительно может быть умножено в заданное число (N) раз. Если сумматор выполняют на базе ОУ, то обычно за основу берут схему инвертирующего усилителя. Для этого к инвертирующему входу через сопротивление R1 подводят не один, а сразу несколько входных напряжений, каждый из которых соединен отдельно через своё сопротивление (рис.6).

В результате для схемы рис.6, по аналогии с инвертирующим усилителем можно записать уравнение

откуда находим выходное напряжение:

В частном случае, если все сопротивления схемы рис.6 одинаковы, то на выходе сумматора

Из выражений (5), (6) видно, что результат представляет собой арифметическую сумму напряжений, взятую с противоположным знаком.