lb4
.docxМИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Юго-Западный государственный университет»
(ЮЗГУ)
Кафедра конструирования и технологии
электронно-вычислительных средств
Лабораторная работа №4 по основам схемотехники на тему:
«ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАТОРА НА
ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ».
Выполнил студент группы СК-01 Гефнер В.В.
Проверил преподаватель Брежнева Е.О.
Курск – 2012
Содержание
-
1 Наименование работы, цель исследований..........................................3
-
2 Основные теоретические положения...................................................4
-
3 Результаты исследований.....................................................................5
-
Лабораторная работа №4
-
ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАТОРА НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ
-
1 Цель работы:
-
Изучение особенностей функционирования и характеристик интегратора на операционном усилителе. Исследование проводится методом моделирования в среде OrCAD 9.2.
2 Основные теоретические положения
Для аналоговых устройств обработки сигналов при реализации операций интегрирования применяют схемы на операционных усилителях. Как правило, для этого используют инвертирующее включение ОУ (рисунок 1).
Рисунок 1 – Схема инвертирующего интегратора
По первому закону Кирхгофа с учетом свойств идеального ОУ следует для мгновенных значений: i1 = - ic. Поскольку i1 = u1/R, а выходное напряжение схемы равно напряжению на конденсаторе:
то выходное напряжение определяется выражением:
Постоянный член uвых(0) определяет начальное условие интегрирования. Этой величиной можно управлять. Например, можно перед выполнением операции интегрирования разряжать конденсатор посредством замыкания его с помощью электронного ключа. Передаточную характеристику интегратора можно получить из передаточной характеристики инвертирующего усилителя, заменой величины сопротивления обратной связи операторным сопротивлением конденсатора Zос(s)=1/(sC).
|
(1) |
Заменив s на j, перейдём к частотной характеристике интегратора.
|
(2) |
Сопоставление АЧХ интегратора и АЧХ операционного усилителя позволяет сделать вывод о том, что в области частот от частоты среза FСР до частоты единичного усиления F1 глубина обратной связи и, следовательно, частотная ошибка остаётся практически постоянной. В области ниже частоты среза погрешность интегрирования возрастает. В этой области интегратор представляет собой фильтр низких частот первого порядка с коэффициентом усиления KU и постоянной времени (1+KU)RC. Погрешность интегрирования зависит также от величины напряжения смещения и входного тока операционного усилителя. Отличие этих величин от нуля приводит к тому, что при нулевом напряжении на входе интегратора, ток через конденсатор не равен нулю и наблюдается относительно медленное изменение напряжения на нём и выходе интегратора.
3 Результаты исследований
В соответствии с порядковым номером в журнале преподавателя рассчитаем номинальные значения сопротивления и ёмкости инвертирующего интегратора.
R1=50+10n КОм, С=50-1n нФ, где n – порядковый номер, n=1;
R1=60 Ком; C=49 нФ
Сопротивление резистора R2 всегда должно быть равно сопротивлению резистора R1, следовательно, R2=60 КОм.
Тип операционного усилителя остаётся тем же, что и в предыдущих лабораторных работах, - AD648B.
На основе полученных данных соберём схему интегратора:
Рисунок 2 - Схема исследуемого интегратора
Временная диаграмма напряжения на выходе:
Из полученной диаграммы:
Uвых= -0.054В
Рассчитаем выходное напряжение интегратора через его коэффициент передачи, представленный выражением 2.
K(jω)= -1/jωRC= -1/2π×100×2940×10-6= -0.54
Uвых= K(jω) ×Uвх= -0.54×0.1= -0.054В
Расчетное значение выходного напряжения и значение, полученное из диаграммы, имеют одинаковое значение.
Определим величину постоянного тока конденсатора, вызванного входным током операционного усилителя:
Iк=Uвых/Zoc(s)= Uвых×s×C= (-0.054) × (-2π×100) ×49×10-9=1.7мкА.
Временная диаграмма постоянного тока конденсатора:
Iк=1.7мкА
Расчетное значение постоянного тока конденсатора и значение, полученное из диаграммы, имеют одинаковое значение.
Заменим источник сигнала источником переменного напряжения:
Рисунок 3 - Схема исследуемого интегратора с источником сигнала переменного напряжения
Рисунок 4 - АЧХ исследуемого интегратора с источником сигнала переменного напряжения
Рисунок 5 - Схема исследуемого интегратора с источником импульсных сигналов
Временная диаграмма напряжения на выходе интегратора:
Из диаграммы видно, что Uвых=6.8 В
Диаграмма имеет такой вид из-за влияния закона коммутации: напряжение на емкости при корректной коммутации не может изменяться скачком.
Рассчитаем по формуле (3) амплитуду выходного напряжения
(3)
Uвых= = 6,8 В
Амплитуда выходного напряжения полученная из временной диаграммы и рассчитанная по формуле (3) имеют равные значения.
Уменьшим сопротивление резистора R1 в 2 раза:
Из временной диаграммы видно, что форма импульса осталась прежней, а амплитуда увеличилась в 2 раза.
Крутизна фронта/спада импульсов равна 680 В/с
Восстановим значение резистора R1
Временная диаграмма получилась идентичной предыдущей, что легко проверить подставив необходимые значения в формулу (3).