Изучение свойств и возможностей операционных усилителей

⇐ ПредыдущаяСтр 22 из 28Следующая ⇒

Цель работы: изучение принципов функционирования операционных усилителей, его технических характеристик, а также ознакомление с их широкими возможностями обработки аналоговых сигналов.

Состав лабораторного комплекса

В состав лабораторного комплекса входят аппаратные средства:

– осциллограф С1-83;

– генератор сигналов специальной формы типа Г6-36;

– генератор прямоугольных импульсов Г5-60;

– частотомер Ч3-34;

– вольтметр универсальный В7-23;

– блоки питания Б5-46 и Ф5075;

– макет на интегральном операционном усилителе.

Программа работы

В программу входит исследование принципа работы:

– усилительного каскада;.

– инвертирующего усилителя;

– дифференциального усилительного каскада;

– фильтра низких частот;

– сумматора напряжений;

– линейного выпрямителя;

– функционального преобразователя.

Порядок выполнения работы

Используя справочник по интегральным микросхемам, ознакомьтесь со схемой и техническими характеристиками операционного усилителя, установленного в лабораторном макете. После изучения пояснений к работе осуществите подключение макетной платы к блоку питания и исследуйте принципы работы операционного усилителя в следующем порядке:

1.Для изучения принципа работы усилительного каскада соберите его схему с последовательной обратной связью по напряжению, приведенную на рис. 8.23.

Подключите питание – два источника постоянных напряжений в пределах 12–15 В. Закоротите входные зажимы усилителя и c помощью осциллографа убедитесь, что напряжение на выходе усилителя близко к нулю. Возможно появление высокочастотных колебаний (самовозбуждение); в этом случае включите цепь частотной коррекции, рекомендуемую в справочнике по операционным усилителям, и добейтесь отсутствия колебаний.

Определите по осциллографу напряжение смещения нуля и его знак. Разделите полученную величину на коэффициент усиления, равный 11, и сравните приведенное ко входу напряжение смещения нуля со справочными данными. Включите цепь коррекции нуля и добейтесь минимально возможной величины.

Подключите ко входу усилителя генератор синусоидальных сигналов. Установите частоту сигнала 1000 Гц и, плавно увеличивая напряжение генератора, проследите за величиной и формой выходного напряжения. В этом исследовании полезно воспользоваться двухканальным осциллографом, подключив его входы ко входу и выходу усилительного каскада. Убедитесь, что полярности напряжений на входе и выходе совпадают. Убедитесь в том, что выходные уровни напряжений в усилителе ограничены. Установите предельные уровни выходных напряжений и сравните полученные значения с напряжением питания.

Попытайтесь измерить коэффициент нелинейных искажений с помощью автоматического измерителя или анализатора гармоник, при этом установите выходное напряжение ниже предельного уровня (например, 1В). Получив небольшую величину (доли процента), не спешите с выводами, а переключите измеритель нелинейных искажений ко входу усилителя. Сравните величины коэффициентов гармоник на входе и выходе усилителя и сделайте выводы о качестве его работы.

Определите коэффициент усиления и сравните полученное значение с расчетным, определенным по формуле

K=U_ВЫХ/U_ВХ=1+R₁/R₂.

Изменяя частоту входного сигнала, убедитесь, что усилитель работоспособен при сколь угодно медленных колебаниях сигнала. Попытайтесь определить высокочастотную границу рабочего диапазона частот. Если частотного диапазона генератора будет недостаточно, необходимо использовать высокочастотный генератор, например, типа ГЧ-102.

Определите быстродействие усилителя как скорость изменения выходного напряжения. Для этого подключите ко входу операционного усилителя генератор прямоугольных импульсов с амплитудой 0, 5 В. Длительность импульсов и период следования подберите самостоятельно (рекомендуется устанавливать период в два раза больше длительности). Форма выходных импульсов обычно бывает трапециевидной. Быстродействие определите по наклону фронта или спада выходного импульса. Сравните полученную величину с паспортными данными на операционный усилитель.

Попытайтесь измерить входное сопротивление усилителя. Для этого подайте на вход синусоидальные колебания с частотой 1000 ГЦ и амплитудой, при которой выходное напряжение не искажается. Включите резистор в разрыв сигнального провода генератора. Если выходное напряжение не изменилось, то входное сопротивление усилителя гораздо больше сопротивления резистора. Подберите сопротивление резистора так, чтобы выходное напряжение уменьшилось в два раза. В этом случае входное сопротивление усилителя равно сопротивлению резистора. В рассматриваемой схеме входное сопротивление довольно высоко.

2. Для изучения работы инвертирующего усилителя соберите его по схеме, приведенной на рис. 8.15. Убедитесь, что полярность выходного напряжения противоположна полярности входного, входное сопротивление этого усилителя равно сопротивлению резистора R₁, а коэффициент усиления усилителя определяется отношением R₂/R₁.

Попытайтесь измерить внутренний коэффициент усиления операционного усилителя. Для этого установите частоту сигнала 20 Гц и напряжение на выходе, близкое к ограничению. Произведите измерения напряжений на выходе и на инверсном входе операционного усилителя, и по отношению этих напряжений определите внутренний коэффициент усиления, для чего рекомендуется использовать вольтметр типа В3-38.

3. Для изучения принципа работы соберите дифференциальный усилительный каскад по схеме на рис. 14.7.

В этом каскаде важно выполнение равенства

R₂/R₁=R’₂/R’_1.

В лабораторном макете резистор R₂ регулируется в пределах 90–110 кОм. Отрегулируйте усилитель, для этого подайте на оба входа один и тот же сигнал и добейтесь регулировкой R₂ отсутствия напряжения на выходе.

Рис. 14.7

Убедитесь в работоспособности усилителя, подавая на его входы различные сигналы, либо входной сигнал поочередно на оба входа. При этом напряжение на выходе должно быть:

U_ВЫХ=(U₂– U₁)R₂/R₁.

4. Для изучения принципа работы соберите фильтр низких частот по схеме, приведенной на рис. 14.8. Снимите частотную характеристику фильтра. Убедитесь, что в области низких частот коэффициент передачи фильтра равен R₂/R₁, а верхняя граничная частота равна

Рис. 14.8

F_B=1/(2 CR₂).

Наклон частотной характеристики за пределом F_Bсоставляет 6 дб/октава (напряжение падает вдвое при двойном увеличении частоты).

5. Для изучения принципа работы сумматора напряжений опробуйте его в работе по схеме рис. 8.21.

Рис. 14.9

На входы U₁ и U₂ подайте напряжения, и сравните сумму поданных входных напряжений (U_S= – (U₁+U₂)R₂/R₁) с выходным напряжением сумматора U_ВЫХ. Определите погрешность преобразования сумматора формуле

D=U_S–U_ВЫХ.

Объясните, чем определяется погрешность сумматора.

6. Для изучения принципа работы соберите линейный выпрямитель по схеме, приведенной на рис. 14.9. Подайте на вход переменное синусоидальное напряжение с частотой 1000 Гц. К выходу подключите осциллограф и цифровой вольтметр постоянного напряжения.

Снимите передаточную характеристику U_вых=f(U_вх). Убедитесь, что характеристика линейна и описывается выражением

U_вых=0, 45 U_вхR₁/R₂,

где U_вых – действующее значение выходного переменного напряжения.

Для лучшего уяснения работы выпрямителя проверьте с помощью осциллографа напряжения на правых по схеме выводах резисторов R₂. Для фильтрации полученного напряжения используйте на выходе фильтр низкой частоты на RС - цепочке.

Рис. 14.10

7. Для изучения принципа работы функционального преобразователя соберите схему, приведенную на рис. 14.10.

Подайте на вход источник постоянного регулируемого напряжения положительной полярности. Подключите к выходу функционального преобразователя вольтметр постоянного напряжения. Снимите передаточную характеристику U_вых=f(U_вх). Убедитесь, что передаточная характеристика кусочно-линейная. Найдите ориентировочно точки перегиба. Объясните действие схемы.

Контрольные вопросы

1. Для чего предназначен операционный усилитель?

2. Какими техническими данными характеризуются операционные усилители?

3. Перечислите известные Вам функциональные возможности операционного усилителя.

4. Изобразите схемы усилительных каскадов на базе операционного усилителя и охарактеризуйте каждую из них.

5. Изобразите схему сумматора напряжений и объясните ее действие

6. Изобразите схему линейного выпрямителя и объясните ее действие.

7. Изобразите схему функционального преобразователя и объясните его действие. Чем определяются координаты точек перегиба функции?

Содержание отчета

В отчете по лабораторной работе сформулируйте цель лабораторной работы. Ознакомившись с техническими характеристиками изучаемых электронных устройств, необходимо дать в отчете их краткую характеристику. В соответствии с программой работы, используя изученные приборы, выполнить по указанию преподавателя индивидуальные задания по измерению параметров сигналов.

Отчет должен содержать:

1. схему измерительного эксперимента;

2. полученные результаты измерений;

3. расчеты погрешности измерений;

4. анализ полученных результатов и выводы по работе.

По согласованию с преподавателем привести более детальное описание одного из проведенных измерений. Оформление отчета должно соответствовать [11].

⇐ Предыдущая 17 18 19 20 212223 24 25 26 Следующая ⇒