Экспериментальная часть

1. Исследование ФНЧ и интегрирующей цепи.

1.1. Получение частотной характеристики фильтра НЧ. Соберите схему согласно рис. 6. R1 = 1кОм, С1 = 0,1мкФ

Рис. 6 Схема ФНЧ

По номиналам элементов схемы рассчитайте частоту среза Fср=1/2πRС

1.2. Подайте с генератора на вход фильтра синусоидальный сигнал частотой 0,1 F_cp и амплитудой U_BX =0,5в. Подключите осциллограф к входу фильтра и измерьте амплитуду выходного сигнала U_{BbIX m} Результа­ты измерения запишите в таблицу 1.

Таблица 1

f	0,1Fср	0,2Fср	0,5Fср	Fср,	2Fср	5Fср	10Fср
uвых (В)
К

1.3. Повторите измерения аналогично п. 1.2. для последующих зна­чений частот, указанных в таблице 1.

По результатам измерений постройте амплитудно-частотную харак­теристику ФНЧ. При построении АЧХ воспользуйтесь логарифмическим масштабом по оси частот. В этом масштабе координатная ось частот про­порциональна логарифму отношения log Р/Р_ср При использовании милли­метровой или клетчатой бумаги достаточно точное расположение точек показано на рис. 2.

Рис. 7 . Построение АЧХ фильтра в логарифмическом масштабе

По графику определите частоту среза ФНЧ F_{cp гр} (по уровню К=0,7). Сравните полученный результат с расчетным значением F_cp

Получение переходной характеристики интегрирующей цепи. Рас­считайте постоянную времени для RC -цепи (рис. 1) τ=RС Установите на

выходе генератора сигнал прямоугольной формы частотой F,=0,5F_cp, амплитудой 1 В . Подайте сигнал с генерато­ра на вход RC –цепи. Зарисуйте осциллограмму и запишите масштабные коэффициенты X и Y осциллографа. По осциллограмме переходной характеристики опреде­лите постоянную времени RC -цепи, проведя касательную к начальному участку переходной характеристики до пересечения с установившимся значением (см. рис. 8). Сравните расчетное значение τ с полученным гра­фически.

Рис. 8. Определение постоянной времени интегрирующей цепи

2. Исследование ФВЧ и дифференцирующей цепи. 2.1. Получите амплитудно-частотную характеристику ФВЧ. Собери­те схему согласно рис. 9. R1 = 1кОм, С1 = 0,1мкФ

Рис. 9. Схема ФВЧ

По номиналам элементов схемы рассчитайте частоту среза ФВЧ Fср=1/2πRС

2.2. Подайте с генератора на вход ФВЧ синусоидальный сигнал час­тотой 10F_ср и амплитудой U_вх=1в. Измерьте амплитуду выходного сиг­нала фильтра U_{BbIX m}. Повторите измерения U_{Bblx m} для частот указанных в таблице 2

Таблица 2

f	0,1Fср	0,2Fср	0,5Fср	Fср,	2Fср	5Fср	10Fср
uвых (В)
К

. По результатам измерений постройте амплитудно-частотную харак­теристику ФВЧ в логарифмическом масштабе. По характеристике опреде­лите частоту среза ФВЧ F_{cp гр}, сравните результат с расчетным значением

2.3. Получение переходной характеристики дифференцирующей це­пи. Рассчитайте постоянную времени для RC -цепи (рис. 4) τ=RC. Получите переходную характеристику дифференцирующей цепи, зарисуйте осциллограмму, по осциллограмме определите постоян­ную времени (см. рис. 5) и сравните с расчетным значением.

Рис. 10. Определение постоянной времени дифференцирующей цепи

Отчет о выполненной работе

Отчет о выполненной работе должен содержать:

1. название и цель работы;

2. схему ФНЧ (рис. 1), экспериментально полученные данные со­ гласно п. 1.2., АЧХ ФНЧ согласно п. 1.З., переходную характеристику ин­ тегрирующей цепи по п. 1.4.;

3. схему ФВЧ (рис. 4), экспериментально полученные данные и АЧХ ФВЧ согласно п. 2.2., переходную характеристику дифференцирующей цепи по п. 2.3.;

Все рисунки и схемы должны сопровождаться пояснением.Приведите классификацию фильтров по частотным характеристи­ кам.

1. Объясните, что означает частота среза фильтра?

2. Приведите классификацию фильтров по схемам его звеньев.

3. Дайте определение электрического фильтра. Объясните что озна­ чает полоса пропускания и полоса затухания фильтра.

4. Как по частотной характеристике фильтра определить его гранич­ ную частоту?

5. Приведите пример частотной характеристики ФВЧ, объясните, как изменится характеристика при уменьшении емкости фильтра.

6. Объясните, что означает понятие дифференцирующая цепь, при­ ведите схему дифференцирующей цепи?

7. Объясните, каким образом можно получить АЧХ фильтра?

8. Объясните, каким образом можно получить переходную характе­ ристику интегрирующей цепи?

10.Объясните, как изменится переходная характеристика диффе­ ренцирующей цепи с увеличением постоянной времени?

Литература

1. Ефимчик М. К., Шушкевич С. С. Основы радиоэлектроники: Для физ. спец. ун-тов. 2-е изд., перераб. и доп. Мн.: изд-во "Университетское", 1986. 303 с.

2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - 2-е изд., перераб. и доп. М.: изд-во "Высшая школа" 1991. 622 с.

Лабораторная работа №8 Усилители электрических сигналов на основе операционных усилителей

Цель работы. Ознакомление с принципами построения и работы усилителей электрических сигналов, а также с методами измерения их основных характеристик.

Краткие теоретические сведения

Носителем информации в радио электронных устройствах, устройствах автоматики, связи, измерительной технике, телемеханике и др. областях является электрический сигнал. При этом один из параметров электрического сигнала изменяется по закону передаваемого сообщения. При передаче информации на расстояние сигнал ослабляется.

Для уверенного приема сигнала и преобразования его в сообщение необходимо предварительно электрический сигнал усилить.

Усилители широко применяются в информационно-измерительной технике, радиовещании, телевидении, медицине, биологии и др. областях. Использование усилителей в различных областях накладывает свои специфические требования на его параметры, т.е. это либо большой К, либо f, либо δ ....

Основные параметры электронных усилителей

Входное и выходное сопротивление R_BX = U_BX / I_BX - сопротивление между входными зажимами усилителя для переменного входного сигнала. Мощность, получаемая от источника входного сигнала, выделяется на выходном сопротивлении усилителя.

Выходное сопротивление усилителя R_BX определяется между зажимами усилителя (выходными) при отключенной нагрузке.

Коэффициент усиления К представляет собой отношение напряжения , тока или мощности на выходе усилителя к напряжению, току или мощности на его входе.

К_u = U_вых/U_вх - коэффициент усиления по напряжению;

К_i; = I_ВЫХ / I_bx - коэффициент усиления по току;

Кр = р_вых / р_вх - коэффициент усиления по мощности.

Если усилитель содержит несколько простейших самостоятельных усилителей, соединенных последовательно, которые называются каскадами, то общий коэффициент

усиления определяется выражением ,

Рабочий диапазон частоты - область частот, в которой коэффициент усиления

изменяется в допустимых пределах, заданных техническими условиями

Чувствительность – наименьшее напряжение (ток) на входе, при котором создается номинальная мощность на выходе

Динамический диапазон – отношение амплитуды максимально допустимого входного (выходного) сигнала к амплитуде минимально допустимого сигнала на входе (выходе)

Стабильность параметров определяет способность усилителя поддерживать коэффициент усиления в течение определенного времени в допустимых пределах. Источниками нестабильности являются изменения параметров усилительных элементов усилителя: R, L, С и R_H .

Выходная мощность. отдаваемая усилителем в нагрузку, обычно характеризуется активной мощностью. Максимальная выходная мощность, при которой искажения сигнала на выходе не превышают допустимых значений - номинальная мощность.

Р Коэффициент полезного действия: где Р_ВЫх - мощность на нагрузке усилителя, р_{ист.пит}, - мощность, потребляемая усилителем от источников питания.

Искажения, вносимые усилителем - изменение формы выходного сигнала по сравнению с формой входного сигнала. Идеальным считается такой усилитель, который точно воспроизводит форму сигнала поданного на вход. Искажения делятся на: частотные; фазовые; переходные; нелинейные.

Частотные искажения возникают при неодинаковом усилении гармонических составляющих усиливаемого сигнала. Эти искажения носят линейный характер. Источники искажений: L, С, транзисторы.

Представления о частотных свойствах усилителя дает его АХЧ - график зависимости модуля коэффициента усиления от частоты. В полосе частот изменение находится в допуске.

Количественная оценка производится с помощью коэффициента частотных искажений – М М = К₀ / K_f или М(ДБ) = 20 Lg(K₀ / K_f) = 20 Lg M, где К₀ -коэффициент усиления на средних частотах, где он практически постоянен; K_f -коэффициент усиления на данной частоте.

Фазовые искажения возникают при неодинаковом времени прохождения сигнала через усилитель на разных частотах. При передаче звуковых сигналов фазовые искажения не воспринимаются на слух.

Переходными искажениями называют искажения импульса на выходе усилителя по сравнению с входным прямоугольным импульсом.

Количественную оценку переходных искажений производят по τ_ф , τ_с , спаду вершины импульса, выбросам фронта ΔU_B.

Электронные лампы и полупроводниковые приборы обладают нелинейной зависимостью выходного сигнала от входного. Если на вход подать синусоидальный сигнал, то на выходе он будет искажен по форме, т.е. возникнут нелинейные искажения.

Коэффициент нелинейности (коэффициент гармоник) определяется по формуле:

С увеличением амплитуды сигнала нелинейные искажения увеличиваются, т.к. при этом используются большие участки характеристик нелинейных элементов и сильнее сказывается их кривизна: γ_общ =γ_} + γ₂ +... + γ_п.

Дифференциальные усилители

Дифференциальный усилитель - симметричный усилитель постоянного тока с двумя входами и двумя выходами.

В общую эмиттерную цепь включен источник стабильного тока, который обеспечивает постоянную i_e1 = I_E2- При отсутствие сигнала U_L1 — U_L2 = 0. В этом случае ток Ik вследствие симметрии равномерно распространяется между T1 и Т2.

Эти состояния не изменяются, если оба входных напряжения получат приращения на одну и туже величину (синфазный сигнал), т.к. в этом режиме коллекторные токи остаются равными друг другу, постоянна и разность выходного напряжения, т.е. коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю.

Изменение напряжения база - эмиттер, происходящее под воздействием t", действует как синфазный сигнал и, следовательно, влияет на работу схем.

Если U_L1 > U_L2, то изменится распределение токов в дифференциальном усилителе

т.е. разность входных напряжений в отличии от синфазного управления вызывает изменение выходного напряжения.

A_D - коэффициент усиления дифференциального сигнала.

Напряжение разбаланса

Представляет собой разность входных напряжений, которые необходимо приложить, чтобы выполнялось равенство U_a1 ⁼ U_a2-Показаны три случая балансировки.

Операционные усилители

Предназначены для усиления напряжения, мощности, сложения, вычитания, перемножения, дифференцирования, интегрирования сигналов. Его параметры определены в основном обратной связью, которая выполнена по схеме УПТ, с большим К, большим R_BX, малым R_вых.

I - неинвертный вход, 2 - инвертный вход.

Входной каскад в виде дифференциального усилителя. Чтобы работать как с положительным входным сигналом, так и с отрицательным, используют двухполярное питающее напряжение Е = ±15В. На принципиальных схемах изображают входные и выходные клеммы. Дифференциальный коэффициент усиления при отсутствии обратной связи равен:

Зависимость выходного напряжения усилителя от U_D U_amm < U_a < U_amuK – область усиления.

В области насыщения с ростом U_D увеличение U_a не происходит. После

устранения напряжения разбаланса (смещения) остаются возможные изменения от t° , U_n -дрейфы.

Принцип ООС

Часть выходного напряжения возвращается через цепь ОС к входу усилителя. Если напряжение ОС вычитается из входного, то ОС называют отрицательной, если оно суммируется с входным, то ОС - положительная. U_c = A_D U_D = A_D (U_c. - kU_a)

т.е. коэффициент усиления определяется только ОС и не зависит от параметров самого усилителя.

Расширение рабочей полосы частот за счет ООС.

Неинвертирующий усилитель

Рассчитать R_N и ri для А = 100, 500, 50, 10, 1.

Инвертирующий усилитель

Техника проведения эксперимента

Данная лабораторная работа проводится с использованием компьютера с помощью программы моделирования электронных схем Electronics Workbench. 5.0

1. Исследование неинвертирующего усилителя

В редакторе программы создайте схему изображенную на рисунке

установите в редакторе свойств сопротивление резистора R1 равным 10кОм, RN равным 100кОм.

Снимите зависимость U_ВЫХ – f(U_вх) результаты занесите в таблицу

Uвх	1мВ	10мВ	100мВ
Uвых

По данным таблицы определить коэффициент усиления. K=U_вых./ U_вх. Проверьте справедливость формулы расчета коэффициента усиления

2. В редакторе программы создайте схему изображенную на рисунке. установите в редакторе свойств сопротивление резистора R1 равным 10кОм, RN равным 100кОм, ёмкость конденсатора 100nF

Установите на выходе генератора амплитуду сигнала равную 1 мВ

Снимите зависимость K_u – f(f) результаты занесите в таблицу

F Гц	50	70	90	100	200	300	400	500	600
К

По данным таблицы построить график.

39