Активный полосовой RC-фильтр RC

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 6Следующая ⇒

На рис. 64 показана схема дифференциатора. Связь напряжений на входе и выходе идеального дифференциатора устанавливается соотношением

. (22)

Рис. 64

Передаточная функция схемы:

. (23)

Амплитудно-частотная характеристика К(w) = RCw показана на рис. 65.

Рис. 65

Так как дифференциатор имеет емкостной вход, то во избежание перегрузки источника напряжения U_вхследует включить последовательно с емкостью С₁ резистор R₁ (рис. 66).

Рис. 66

Передаточная функция такого дифференциатора имеет вид

Частотная характеристика К(w ) этой схемы

показана на рис. 67 (кривая 1). Также дана ее кусочно-линейная аппроксимация (кривая 2).

Рис. 67

Для получения высокой точности дифференцирования (2 %) максимальная частота сигнала должна быть в 10 раз меньше верхней граничной частоты схемы :

w _сиг._min £ 0, 1w _с.

Расчет параметров схемы дифференциатора (рис. 68), имеющего желательную характеристику

на рабочих частотах около 1 кГц, производят так. Сначала выбирают значение емкости С₁и вычисляют сопротивление резистора R₂.

Пусть С₁= 0, 1 мкФ. Тогда

Затем находят верхнюю граничную частоту схемы f_с:

f _с = 10 f _сиг._max = 10× 10³ = 10 кГц.

По частоте получают величину R₁:

После этого рассчитывают отношение , которое должно быть больше 1.

Во избежание появления нежелательных высокочастотных шумов на выходе дифференциатора (рис.66) параллельно резистору R₂включают емкость С₂(рис.68).

Рис. 68

Передаточная функция такой схемы имеет вид

, (24)

где К(w) = , .

На рис. 69 приведена аппроксимированная АЧХ схемы, построенная по данным таблицы 16.

Таблица 16

w	К(w)	w	К(w)	w	К(w)
w < w _с₁	R₂С₁w	w _с₁ < w < w_с₂		w > w_с₂

Рис. 69

Для получения высокой точности дифференцирования сигнала в схеме (рис.68) емкость С₂надо выбрать так, чтобы частота приблизительно в 10 раз превышала наибольшую частоту сигнала.

Схему дифференциатора (рис. 68) можно использовать как полосовой фильтр пропускания, если соотношение выбрать равным коэффициенту передачи схемы К в полосе пропускания. Емкость С₁рассчитать по нижней частоте фильтра w _с₁:

Емкость С₂ – по верхней частоте фильтра w_с₂:

Итак, из кривой (рис. 69) видно, что схема (рис. 68) на частотах:

а) от w = 0 до – идеальный дифференциатор;

б) от w _с₁ до – усилитель, полосовой фильтр;

в) от w_с₂и выше – интегратор.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

В установке к лабораторной работе «Операционный усилитель» реализованы пять схем на операционном усилителе – масштабный, суммирующий, интегрирующий, дифференцирующий усилители и активный полосовой фильтр (рис. 70).

Питание схем осуществляется от блока питания (рис. 70г), подключенного к сети однофазного напряжения 220 В частотой 50 Гц. Блок питания содержит мостовые выпрямители на диодах, дающие постоянные напряжения +15 В и –15 В, необходимые для работы микросхем операционных усилителей. Кроме того, эти напряжения используются для создания источников входных регулируемых напряжений U_вх₁, U_вх₂, U_вх₃ в схемах масштабного усилителя и сумматора (рис.70а). На панели стенда источники входных напряжений обозначены Е₁, Е₂, Е₃, напряжения на их зажимах U₁, U ₂, U ₃.

В этом случае напряжения +15 В и –15 В от блока питания подаются на потенциометры R₅, R₆, R₇, с которых регулируемые напряжения U₁, U₂, U₃ подключаются к входам схем. На панели ручки потенциометров обозначены «U₁», «U ₂», «U ₃».

Измерения входных и выходных напряжений в схемах масштабного ОУ и сумматора осуществляются одним вольтметром магнитоэлектрической системы (на панели вольтметр обозначен V), подключаемым с помощью четырехпозиционного переключателя SA3 к трем входам схемы (на панели положения переключателя обозначены «V1», «V2», «V3») и к выходу (положение переключателя).

Исследование интегратора (рис.70б) производится при подключении к его входу генератора прямоугольных импульсов (рис.70д), собранного на микросхемах ДД1. К выходу интегратора подключают электронный осциллограф С1-68.

Снятие выходного сигнала с помощью осциллографа осуществляется следующим образом:

· подать на гнездо исследуемый сигнал;

· тумблер «Усилитель Y» – х 10;

· установить переключатель «Усиление» на значение 0, 5 V/см;

· переключатель «Длительность» установить в положение 0, 2 ms;

· при помощи ручек ↕ и ↔ поместитьизображение сигнала в центр экрана.

а) масштабный ОУ и сумматор

б) интегратор в) дифференциатор, интегратор

(активный полосовой фильтр)

г) блок питания

д) генератор прямоугольных импульсов

Рис. 70

Дифференциатор и активный полосовой фильтр (рис.70в) исследуются при подключении к входу генератора синусоидального напряжения Г3-53 с изменяющейся частотой. К выходу схемы подключают электронный вольтметр В3-41.

Внешний вид стенда изображен на рис. 71.

Рис. 71

ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

1 Ознакомиться с расположением на панели стенда схем масштабного операционного усилителя, сумматора, интегратора, дифференциатора (рис. 71).

2 Исследование схемы масштабного операционного усилителя.

Подключить источник постоянного напряжения Е₁на первый вход схемы, замкнув ключ SA1.

Измерить напряжение U₁на первом входе. Для этого переключатель SA3 вольтметра V установить в положение «V1». По положению ключа SA2 определить знак измеряемого напряжения.

Регулятором напряжения «U₁» установить напряжение U₁, заданное преподавателем. Во избежание перегрузки ОУ входное напряжение не должно превышать 1 вольт.

Установить регуляторы «U ₂» и «U ₃» в нулевые положения. Напряжения на втором входе U ₂ и третьем входе U ₃ должны быть равны нулю. Для того, чтобы убедиться в этом, подключить вольтметр V на второй вход (переключатель SA3 в положении «V2») и на третий вход (переключатель SA3 в положении «V3»).

В данных условиях измерить напряжение (с учетом знака) на выходе схемы, установив переключатель SA3 в положение «V4».

Результаты измерений напряжений со знаками «+» или «–» записать в таблицу 3. По данным опыта получить величину коэффициента передачи К₁ и сравнить ее с расчетной.

Аналогичные измерения и расчеты произвести при подключении источника Е₂на второй вход, затем источника Е₃на третий вход.

3 Исследование сумматора на операционном усилителе.

Перед началом опыта рассчитать выходное напряжение сумматора по формуле, приведенной в таблице 3. Для этого, используя полученные из предыдущего опыта значения коэффициентов передачи К₁, К₂, К₃, задаются входными напряжениями U_вх₁, U_вх₂, U_вх₃ такой величины, чтобы результирующее выходное напряжение не превышало 5 В (в общем случае напряжение на выходе данной микросхемы не должно превышать 12, 6 В).

Подключить источники постоянного напряжения Е₁, Е₂, Е₃на входы схемы сумматора. Установить регуляторами «U₁», «U₂», «U₃» рассчитанные напряжения на входах с помощью вольтметра V (положения переключателя SA3 «V1», «V2», «V3»).

Измерить выходное напряжение U_вых (положение переключателя SA3 «V4»).

Сравнить полученную величину U_вых с расчетной. Результаты опыта и расчета записать в таблицу 17.

Таблица 17

Масштабный операционный усилитель (рис.59, 70а) Параметры схемы R₁ = R₂= R₃= 10 кОм, R₄= 30 кОм.
Измерено	Вычислено
№	Напряжения на входах и выходе схемы	Коэффициент передачи напряжения
U_вх₁, В	U_вх₂, В	U_вх₃, В	U_вых, В	К_i из опыта	К_i¢ из расчета
					К₁ =	К₁¢ =
					К₂ =	К₂¢ =
					К₃ =	К₃¢ =
Суммирующий операционный усилитель (рис.59, 70а) Параметры схемы R₁ = R₂= R₃= 10 кОм, R₄= 30 кОм.
Измерено	Вычислено
№	Напряжения на входах и выходе схемы	Расчетное напряжение на выходе схемы
U_вх₁, В	U_вх₂, В	U_вх₃, В	U_вых, В	U_{вых рас}₁, В	U_{вых рас}₂, В
					U_{вы х рас}₁= К₁U_вх₁+ +К₂U_вх₂+ К₃U_вх₃	U_{вы х рас}₂ = К₁¢ U_вх₁+ +К₂¢ U_вх₂+ К₃¢ U_вх₃

4 Исследование схемы интегратора на операционном усилителе.

На вход интегратора подключен источник прямоугольных импульсов (рис.70д). Длительность импульсов t_u < < R₁C₂(рис.72).

Подключить осциллограф С1-68 на вход (гнезда Г1-Г2), а затем на выход (гнезда Г3-Г4) интегратора. Зарисовать осциллограммы напряжений на входе и выходе схемы. Объяснить форму кривой напряжения на выходе U_вых.

Рис. 72

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 Следующая ⇒