multisim / ЛабРаб-2011 doc / лр2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 (ЛР 2)

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ В СПЕЦИАЛИЗИР03АННЫХ СХЕМАХ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Исследование характеристик специализированных устройств, построенных на операционных усилителях.

Лабораторная работа включает исследование: ограничителей выходных сигналов ОУ по амплитуде (рис.2.1,2.2):

одновходового компаратора для сравнения разнополярных сигна­лов (рис.2,3);

двухвходового компаратора для сравнения однополярных сигналов (рис.2,4, 2.5);

нуль-компаратора (рис.2.6);

триггеров Шмитта на.интегральном компараторе К554САЗ без гистерезиса (рис,2,7) и с гистерезисом (рис.2.8); прецизионного Триггера Шмитта (рис,2.9);

двухпорогового компаратора разнополярных сигналов с гистерези­сом и без гистерезиса (рис.2.10);

шлротно-импульсного модулятора (рис.2.11),

При исследовании специализированных схем на ОУ снимаются зависимости строятся выходные характеристики, осциллографируются выходные, напряжения при подаче на вход синусоидаль­ных сигналов.

Лабораторная работа выполняется на панели П.1 "ОПЕРАЦИОННЫЕ УСЛИТЕЛИ" (часть 2).

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Схемы ограничения применяются для ограничения напряжения на выходе ОУ на некотором уровне, меньшем, чем максимально возможное выходное напряжение усилителя. Идеальная схема ограничения не дол­жна оказывать никакого влияния на выходное напряжение до тех пор, пока последнее не достигнет заданного уровня ограничения, после чего схема ограничения должна остановить дальнейшее повышение вы­ходного напряжения. Ограничение используется для того, чтобы пре­дотвратить насыщение ОУ, т.е. состояние» в котором напряжение на выходе достигает максимального значения, обеспечиваемого данным усилителем.

В схеме на рис.2.1,а выходное напряжение ограничивается ста­билитронами VDl и vd2 на уровне ±(U_ст + Uпр) В, где U_ст- напряже­ние стабилизации стабилитрона; Uпр - падение напряжения на стаби­литроне, смещенном в прямом направлении.

Если вместо одного из стабилитронов поставить диод-(рис.2.1,б), получим односторонний ограничитель; если оставить только один стабилитрон (рис.2-1.в), получим ограничение U_вых на различных уровнях: U_ст и Uпр.

Для четкого ограничения необходимо выбирать r_qc= R4+R5 зна­чительно большим внутреннего сопротивления стабилитрона и диода в проводящем состоянии, но в то же время пренебрежимо малым по срав­нению с сопротивлением стабилитрона в закрытом состоянии.

Для уменьшения утечки в прецизионных схемах используется огра­ничитель на маломощных диодах vdi - VD4 с малыми токами утечки (рис.2.2). Диоды включены встречно, и ток через них не идет до тех пор, пока не будет превышено напряжение ограничении, равное сумме напряжения стабилитрона VD5 и падений напряжения на двух диодах в прямом направлении. Если это напряжение превышается диоды начинают проводить ток, подключая к схеме стабилитрон и снижая коэффициент усиления. Если U_вых превышает положительный уровень ограничения, то проводят ток диоды vdi и vd3, если же U_вых переходит отрицательную границу, то ток идет черев vd2 и VD4. Величина сопротивлений r1= R2 = r выбирается по формуле

Ток стабилитрона должен быть меньше, чем выходной ток ОУ,

Компараторы представляют собой ОУ специального назначения, ис­пользуемые для сравнения по уровню двух входных напряжений и скач­кообразного изменения выходного напряжения в случае, когда сравни­ваемые напряжения не равны между собой. Любой ОУ может быть исполь­зован в качестве компаратора, однако специально спроектированные компараторы удобнее для применения. Компаратор должен иметь низкое напряжение сдвига, малый дрейф напряжения сдвига, устойчиво рабо­тать без самовозбуждения и иметь малое значение тока смещения.

Компараторы являются составной частью устройств автоматичес­кого контроля, аналого-цифрового преобразования, стабилизации ис­точников питания (В качестве усилителей ошибки), сдвига уровней логических сигналов и других устройств.

В схемах компараторов используются ОУ с разомкнутой обратной связью. На рис,2.6, а приведена простейшая схема нуль-компаратора. Если, например, напряжение насыщения ОУ составляет ±10 В и K= 10⁴, то U_порог =10/10 ⁴ = I мВ. Подавая на вход схемы синусоидальный сигнал U_вх >20 мВ, на выходе получил практически прямоугольное переменное напряжение.

Схема на рис.2.3,а предназначена для сравнения разно-полярных напряжений. Входной сигнал U_вх и опорное напряжение U_оп подаются на инвертирующий вход. При | U_вх |< U_порог ,при | U_вх |> U_порог В момент равенства U_вх и U_порог ОУ находится в неустойчивом линейном режиме. Переключение компаратора происходит с некоторой задержкой, которая определяется временем перезаряда паразитных емкостей ОУ. Схема имеет низкое входное со­противление» но позволяет сравнивать большие сигналы без появления смещения выходного напряжения от синфазной доставляющей. .

Сравнение сигналов одинаковой полярности позволяет выполнить схема на рис.2.4 и 2.7, Сигналы U_вх и U_оп при этом не должны пре­вышать допустимого для данного ОУ синфазного напряжений.

Рассмотренные схемы (рис.2.3, 2.4, 2.6, 2.7) имеют следующий недостаток: если U_вх меняется медленно и находится вблизи U_ОП, то шумы, содержащиеся в U_вх, могут вызвать ложные изменения в выход­ном напряжении. Для исключения влияния помех в передаточную харак­теристику компаратора вводят некоторый гистерезис (рис,2.5,б: 2.8,б). Ширина петли гистерезиса ∆U берется несколько больше ожи­даемой амплитуды помехи. Гистерезис образуется за счет введения положительной обратной связи (резистор r2).Напряжения срабатывания U_ср, отпускания U_отп , и величина .гистерезиса ∆U определяются, по формулам

Для уменьшения влияния входного тока к; мпаратора следует вы­бирать _{Rl R2}

Дня преобразования аналоговых сигналов в цифровые применяют интегральные компараторы, являющиеся специализированными ОУ. Обыч­ные ОУ имеют большой размах выходного напряжения, что неприемлемо дня управления логическими микросхемами. Выходное напряжение ин­тегрального компаратора может находиться только ,на стандартных уровнях: логический с (-0,5 - +1,4 В) или логическая 1 (3 - 5 В). За счет сокращения амплитудного диапазона быстродействие компаратора выше быстродействия стандартного ОУ, время отклика составляет около 50 нс.

На рис.2.12 показана схема включения интегрального компарато­ра К554САЗ, а на рис.2.6, 2.7, 2.8 схемы его использования.

На рис.2.9 приведена схема прецизионного триггера Шмитта, в, которой напряжения срабатывания и отпускания U_отп имеют одну и ту же полярность, Изменение выходного напряжения отпирает и запи­рает транзистор vt1, за счет чего устанавливаются напряжения сра­батывания и отпускания. Работа схемы протекает следующим образом: если U_вх имеет положительное значение, меньшее U_ср , транзистор VT1 заперт, т.к. выходное напряжение схемы отрицательно; r3 при этом не шунтируется транзистором и

Диод vd9 удерживает напряжение между эмиттером и базой vti разным -0,7 В. Выходное напряжение схемы равно 0,3 В. Когда , выходное напряжение компаратора изменяется до + U_{аых макс}. Переключа­ющийся транзистор vti открывается, шунтирует резистор R3 и тем са­мым снижает напряжение на неинвертирующем входе компаратора до значения U_отп, которое составляет

Где = 0,07 В при I_к.=10мА. Выходное напряжение не будет изменяться, пока U_BX>Uотп .

Двухпороговый компаратор разнополярных сигналов с гистерези­сом и без гистерезиса может быть построен по схеме, приведенной на рис.2.10. Напряжения срабатывания и отпускания составляют соответ­ственно

Компаратор выдает выходной сигнал только тогда, когда вход­ной, сигнал имеет значение: промежутке между напряжениями срабаты­вания и отпускания, т.е. имеем следующие условия работы компарато­ра: Uвх>Ucp, Uвх<Uотп, - высокий уровень выходного сигнала;

Uср>Uвх>Uотп низкий уровень выходного сигнала.

Диоды VD10, vd11 образуют схему ИЛИ по отношению к выходам ин­тегральных компараторов A4 и a6. Таким образом, если у одной из двух микросхем выходное напряжение имеет высокое значение, то и вы­ходной сигнал схемы тоже высок. Двухпороговый компаратор может быть использован для проверки верхней и нижней границ изменения напряжения электронных приборов.

Широтно-импульсный модулятор преобразует постоянный или медленно изменяющийся входной сигнал в последовательность импульсов, ширина которых зависит от амплитуды входного сигнала. В схеме, приведенной на рис.2.11, сигнал несущей частоты, имеющий форму ме­андра, подается на вход операционного усилителя 3, включенного по схеме интегратора. На выходе интегратора получаются треугольные импульсы. Благодаря наличию резисторов (R4+R5), эти импульсы сим­метричны относительно потенциала общей точки схемы.

Треугольные выходные импульсы интегратора подаются на инвертирующий вход интегрального компаратора 5, на неинвертирующий вход подеется входной сигнал. Компаратор переключается, когда амплитуда входного сигнала становится равной амплитуде треугольных импуль­сов. При нулевом входном сигнале скважность импульсов на выходе компаратора равна 0,5. При положительном входном сигнале, равном амплитуде треугольного импульса, скважность выходных импульсов около I, а при отрицательном сигнале - скважность около нуля.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ ПАНЕЛИ П1 "ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ"

(часть 2)

Лицевая сторона панели П1 "Операционные усилители" (рис.1.12) состоит из двух частей: первая - "Основные схемы включения ОУ" и вторая - "Специализированные схемы включения ОУ".

При выполнении ЛР2 используется вторая часть панели П1, в ко­торой нанесены графические изображения элементов, размещенных на печатных платах панели, а именно:

1) ОУЗ и элементы VD1…. VD8, ri, r2 позволяют построить раз­личные схемы ограничителей выходных сигналов по амплитуде (рис.2.1,2.2). Регулировка коэффициента усиления ОУ в пределах ли­нейного участка производится с помощью потенциометра r5. Уровни ограничения выходного напряжения ограничителями определяются на­пряжением стабилизации стабилитронов vdi, vd2 (KCI33A, u_ct 3,3 В; Iст ном =10 мА; Uпр≤ 1В;Iпр=50мА; r_диф ≤65 Ом; Iст мин=3мА; Iст макс=81мА) и vd3, vd4 (КС168А, u_ct 6,8 В; Iст ном =10 мА; Uпр≤ 1В; Iпр=50мА; r_диф ≤28 Ом; Iст мин=3мА; Iст макс=45мА)

2) 0У1 и группы 1,П элементов ri...не (первая часть панели П1) используются для построения одновходового ж двухвходовых ком­параторов (рис.2.3, 2.4, 2.5);

3) компаратор 5, группа-I элементов r8...r12, элементы vti, vd9, R13 позволяют исследовать работу нуль-компаратора, триггера Шмитта, прецизионного триггера Шмитта (рис.2.6. 2.7, 2.8, 2.9). Изменение порога сравнения производится выбором соответствующих элементов r6... .R10 группы I (дискретно) и потенциометром R12 груп­пы. I (плавно);

4) компараторы 4, 6, группы П, Ш элементов r8...r12, элементы vd10, VD11, R18 (ячейка .ИЛИ) позволяют исследовать работу двухпороговых компараторов разнополярных сигналов с гистерезисом и без гистерезиса (рис.2.10). Изменение порогов сравнения, ширины петель гистерезиса производится выбором элементов r8...r10 , групп П, Ш

(дискретно) и потенциометрами R12 групп П, Ш (плавно);

5) ОУЗ и компаратор 5 могут быть использованы для построения схемы широтно-импульсного модулятора (рис.2. I).

В качестве ОУ1 и ОУЗ используется микросхема КР140УД608 (К_yu=70*10³,

U_см =5 MB, I_вх=30 НА, К_ос,сф=80 дБ, U_BX=I5 В,U_вх,сф=11 В, Uвых=11 в, I_вых=25 МА, Uип= ± 15 В, I_П0Т=2,8 МA). в ка­честве интегральных компараторов 4,5,6 - микросхема К5540ЛЗ (К_yu=150*10³, U_см =3 MB, I_вх=0.1 мкА, ∆Iвх =0.01мкА; I⁺_П0Т (I^-_П0Т)=6(5) мА; Uип=±15 в; Tзд.р=200 нс, ). Условные графические изображения микросхем приведены на рис 1.11 и рис.2.12.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Ознакомьтесь с описанием лабораторной работы, краткими сведениями из теории и элементным составом панели.

2. Получите у преподавателя номер варианта задания, в соот­ветствии с которым произведите необходимые для выполнения заботы расчеты.

3. Включите напряжение питания панели при помощи тумблеров "СЕТЬ" И "ПАНЕЛИ",

4. Исследование схем ограничения выходного напряжения на опе­рационном усилителе ОУЗ.

4.1. Соберите схему ограничителя (рис.2.1,а,б) в соответствии с номером варианта .задания (табл.2.1).. Заземлите вход схемы, выпол­ните балансировку с помощью потенциометра R7 (см.п.4.1 ЛР1). От­ключите стабилитроны и диоды в обратной связи ОУ, подайте на вход схемы небольшой сигнал и с помощью потенциометра r5 установите за­данный коэффициент передачи (табл.2.1)

Восстановите цепь обратной связи. Снимите зависимость U_{вых =} F(±Uвх).

Подайте на вход ограничителя от внешнего генератора синусои­дальный сигнал частотой до I кГц и амплитудой, превышающей напря­жение ограничения исследуемой схемы. Зарисуйте осциллограмму U_вых.

4.2. Соберите схему ограничителя (рис.2.1,в) з соответствии с Номере а варианта задания (табл.2.1) и прозелите ее исследование по

методика п.4.1.

4.3. Соберите схему ограничителя (рис.2,2) на ОУЗ, включите в диагональ диодного моста стабилитрон vdi (обозначение на панели П1).

Таблица 2.1

	Схема цепи ОС		Элементы		Кос
	п.4.1	п.4.2	п.4.1	п.4.2
1			VD1, VD2	VD10	2
2			VD11, VD1	VD3	2.5
3			VD3, VD4	VD10	3
4			VD3, VD11	VD1	3.5
5			VD1, VD2	VD4	4
6			VD2, VD11	VD10	4.5
7			VD3, VD4	VD10	5

Сбалансируйте схему. Выставьте заданный к_ос= U_вых/U_вх. Снимите за­висимость .. Подайте на вход схемы синусоидальный си­гнал частотой до I кГц и амплитудой, превышающей напряжение огра­ничения исследуемой схемы. Зарисуйте осциллограмму .

Отметьте изменения в.осциллограмме при изменении поляр­ности стабилитрона, включенного в диагональ диодного мост, а так же при замене стабилитрона vdi на стабилитрон vd3 (обозначения на панели ПI).

5. Исследование нуль-компаратора.

5.1. Соберите схему нуль-компаратора (рис.2.6) на 0У1 (микро­схема КР140УД6). Рассчитайте значение порогового напряжения Uпор для данной микросхемы. Подайте на вход схемы синусоидальный сиг­нал, определите Uвх мин, при котором на выходе наблюдается прямоу­гольное напряжение. Определите, амплитуду напряжения .

5.2. Соберите схему нуль-компаратора (рис.2.6) на интеграль­ном компараторе 5 (микросхема К554САЗ) и проведите ее исследование по методике п.5.1.

6. Исследование одновходового компаратора.

Таблица 2.2

Номер варианта задания	0У1			Компаратор 5
	ri.кОМ	R2.кОМ	Uоп, В	R1, ,кОм	R2.кОм	Uсп,В
I	15	4,99	+1	20	10-	-3,5
	54,9	35,2	-4	5,1	20	+8,0
2	44,8	15	-2	10	5,1	+2
	25,2	54,9	+6	5,1	20	-8
3	54.9	4,99	-0,5	20	5,1	+1,5
	4,99	15	+7	10	20	-6
4	35,2	25,2	+2	30	10	-1.5
	25,2	54,9	-8	5,1	20	+7
5	4,99	15	-6	40	20	+3
	35,2	4,9	+1	20	5,1	-1.5
6	25,2	15	+5	5.1	10	-6
	4.99	35,2	-8	20	5.1	+1
7	15	54,9	+8	10	30 ,	-7
	44,8	25.2	-3	20	5.1	+1

6.1. Соберите схему одновходового компаратора (рис.2.3) на 0У1 с заданными значениями R1,R2 и Uоп (две строчки параметров для каждого варианта в табл.2.2). Для каждого набора параметров рассчитайте Uпор, при котором схема изменяет свое состояние. Про­верьте расчеты экспериментально. Постройте зависимость

Подайте на вход схемы синусоидальный сигнал частотой до I кГц и амплитудой не более 10 В; зарисуйте осциллограммы для каж­дого набора параметров (табл.2.2).

6.2, Соберите схему одновходового компаратора (рис.2.3) на микросхеме 5 с заданными значениями R1, R2 и U_QП (две строчки па­раметров для каждого варианта в табл.2.2). Проведите исследование схемы по методике п.6.1.

7 Исследование двухвходового компаратора.

7.1. Соберите схему двухвходового компаратора без гистерезиса на операционном усилителе 0У1 (рис.2.4) и исследуйте ее работу при двух значениях оперного напряжения, заданного в табл.2.3 в соответ­ствии с нoмером варианта задания. Постройте выходную характеристику компаратора .

при заданных значениях Uоп.

Таблица 3.3

Номер варианта задания	Uоп,В
	0у1		Компаратор 5
1	+7;	-3	+2;	-5 .
2	-1	+4 .	-7;	+2,5
3	-6;	+1,5	+5;	-8
4	+4,5;	-3	-2;	+6,5
5	-6	-2.5	+1;	-7
6	-4:	+5,5	-6;	+1,5
7	+3;	-6,5	-4	+5

7.2. Соберите схему двухвходового компаратора без гистерезиса на микросхеме 5 (рис.2.7) и исследуйте ее работу при двух значени­ях опорного напряжения, заданного в табл.2.3 в соответствии с но­мером варианта задания. Построите выходную характеристику компара -

тора при заданных значениях

Uоп.

7.3. Соберите схему двухвходового компаратора с гистерезисом на операционном усилителе 0У1 (рис.2.5). Для заданных значений R1, r2 и U_оп (табл 2.4) по формулам (2.1, 2.2, 2.4) рассчитайте зна­чение сопротивления R3, напряжения срабатывания и отпускания для каждого из трех значений U_оп; проверьте расчеты экспериментально. Постройте выходную характеристику компаратора при аданных значениях U_оп.

Подайте на вход схемы синусоидальный сигнал частотой до I кГц и амплитудой не более 10 В; зарисуйте осциллограммы Uвых при зaданных значениях U_оп.

7.4. Соберите схему двухвходового компаратора с гистерезисом на микросхеме 5 (рис.2.8) и исследуйте ее работу по методике п.7.3 при заданных значениях ri, r2 и Uоп (табл.2.4).

7.5 Соберите схему триггера Шмитта с однополярным выходом (рис.2.9) на любом из интегральных компараторов 4,5,6; для задан­ных значений Uоп, r1:,R2,R3 (табл.2.5) по формулам (2.5, 2.6) рас­считайте значения напряжений Uср и Uотп. Проверьте расчеты экспе­риментально, постройте выходную характеристику схемы .

7.6.Соберите схему двухпорогового компаратора разнополярных сигналов с гистерезисом и без гистерезиса (рис.2.10), используя микросхемы 4 и 6. Для заданных значений. Uоп, ri, r2, Rз (табл.2.6)

Таблица 2.4

Номер

ОУ1

	ОУ1					Компаратор 5
		Uоп, В	r1 КОМ		R2 КОМ		Uоп, В				R 1 КОМ	r2 КОМ
1	0;2;-5			25	55		0;-2;+5			10		20
2	0;-1;+3			55	45		0;-7;+4			5		20
3	0;-2;+5			15	45		0;-2;+1			20		20
4	0;+4;-3			25	55		0;-2;+5			5.1		10
5	0;+7;-3			5	45		0;+3;-6			10		40
6	0;+2;-6			15	45		0;-1;+4			20		40
7	0;+1;-3			55	35		0;-1;+2			5.1		5.1