5. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ

Лабораторная работа № 6. Исследование преобразователей аналоговых сигналов на операционных усилителях

Интеграторы

Процедура интегрирования в операционной форме имеет вид

y = Apx ,

где y – выходная переменная (сигнал);

x– входная переменная (входной сигнал).

Тогда передаточная функция интегратора примет вид

H ( p) = xy = Ap .

Для инвертирующего усилителя мы определили, что

Kос = − Rос

R1

или

H ( p) = − Ψ1( p) ,

Ψос( p)

т. е. проводимость обратной связи должна зависеть от частоты. Поскольку Ψc =ω C = p C , то это конденсатор.

Простейшая схема интегратора представлена на рис. 5.46.

RОС

ZОС

С

R1

R1

–

–

+

+

Rбал

Рис. 5.46. Функциональная

Рис. 5.47. Интегратор

схема интегратора

Действительно,

1 t1

Uвых(t) = − R C ∫0 Uвх(t)dt ,

т. е. в интеграторе выходное напряжение пропорционально интегралу по времени входного напряжения.

Более сложная схема интегратора приведена на рис. 5.47.

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-133-

5. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ

Лабораторная работа № 6. Исследование преобразователей аналоговых сигналов на операционных усилителях

Здесь Rос , шунтирующее конденсатор, вводится для компенсации смещения. Rбал служит для уменьшения ошибки интегрирования, вызванной входным током. Иногда параллельно Rбал включают конденсатор. На практике интеграторы часто объединяют с сумматорами.

Дифференциатор

Для операции дифференцирования в операторной форме можно записать следующее выражение:

y = B p x.

RОС

СОС

R1

Uвх

С

Uвх

С

RОС

+

+

–

–

а

Рис. 5.48. Функциональная Рис. 5.49. Дифференциатор схема дифференциатора

Из данного выражения находим передаточную функцию:

H ( p) = xy = B p.

Отсюда можно получить простейшую схему (рис. 5.48). Для данной схемы

Uвых = −RОС С dUdtвх .

В простейших схемах имеет место ошибка интегрирования.

Цепь CОС, RОС (рис. 5.49) обеспечивает спад усиления на ВЧ, что устраняет дифференцирование собственных шумов.

Логарифмическийусилитель

Логарифмический усилитель (ЛУ) – усилитель, у которого выходное напряжение пропорционально по времени логарифму U . Функциональная схема такого усилителя показана на рис. 5.50.

Для получения данного усилителя в цепь ОС включают элемент логарифмической ВАХ. Обычно в качестве такого элемента используется характеристика р–п-перехода. Для р–п-перехода (диода)

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-134-

5. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ

Лабораторная работа № 6. Исследование преобразователей аналоговых сигналов на операционных усилителях

Iд = I0 exp qk UTд −1 ≈ I0 exp qk UTд .

Решив данное выражение относительно
напряжения на диоде, получим:					Iд
							VD
			R
Uд = − K T (ln Iд −ln I0 ),	Uс
q

Рис. .105..1450. .ФункциональнаяЛогарифмическийхема

U усилитель

где Iд = Rвх .

Тогда

				K T		U	вх
	Uвых	= −Uд	= −		ln			−a .
				q		R

Если диод VD поменять местами с резистором, то получим антилогарифмический усилитель. Вместо диода можно использовать транзистор в схеме с ОБ.

Активныефильтры

Простейшие (первого порядка) ФВЧ, ФНЧ, ПФ и их ЛАЧХ приведены на рис. 5.51.

Вэтих фильтрах конденсатор, определяющий частотную характеристику, включен в цепь ООС.

ВПФ (рис. 5.51, в) присутствуют элементы ФВЧ и ФНЧ.

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-135-

5. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ

Лабораторная работа № 6. Исследование преобразователей аналоговых сигналов на операционных усилителях

R2

K,дБ

3дБ

20lg(R1/ R2)

Uвх

C

1

R1

Uвых

ФВЧ

20дБ/дек

lgω

R3

0

ω1

C2

а

K,дБ

R2

3дБ

Uвх

20lg(R1/ R2)

R1

Uвых

ФНЧ

20дБ/дек

lgω

R3

0

ω2

б

C2

K,дБ

3дБ

Uвх

C

1

R2

20lg(R1/ R2)

R1

Uвых

ПФ

20дБ/дек

lgω

R3

0

ω1 ω2

в

Рис. 5.51. Активные фильтры первого порядка: верхних частот (а), нижних

частот (б), полосовые (в) и их ЛАХЧ

Наклон асимптот у них может достигать 40 дБ/дек, а переход от ФНЧ к ФВЧ, как видно из рис. 5.51 а, б, осуществляется заменой резисторов на конденсаторы, и наоборот. В ПФ (рис. 5.51, в) имеются элементы ФВЧ и ФНЧ.

Заданиедляподготовкикработе

1.Ознакомьтесь с целями, задачами и содержанием лабораторнойработы.

2.Изучите теоретические сведения к работе.

3.Ознакомьтесь с описанием и техническими характеристиками аппа- ратно-программного комплекса с удаленным доступом (АПК УД) «Схемотехника аналоговых электронных устройств» при измерении характеристик

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-136-

5. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ

Лабораторная работа № 6. Исследование преобразователей аналоговых сигналов на операционных усилителях

и параметров преобразователей аналоговых сигналов на операционных усилителях и технологией исследования аналоговых устройств посредством моделирования на ПЭВМ.

4.Пройдите входное тестирование или опрос для допуска к работе.

1.Задание для экспериментального исследования преобразователей аналоговых сигналов на операционных усилителях

Необходимо провести измерение параметров и характеристик преобразователей аналоговых сигналов на операционных усилителях: инвертирующего и неинвертирующего усилителей, дифференциатора, интегратора, компаратора, логарифмического усилителя, активных фильтров нижних и верхних частот – амплитудной и амплитудно-частотной характеристики, коэффициента передачи Kп, полосы пропускания Пус, входного и выходного сопротивлений, спектра выходного сигнала.

Порядок выполнения задания

1.1.Выполните соединение с сервером с титульного экрана АПК УД «Схемотехника аналоговых электронных устройств» (см. рис. 3.10), нажав клавишу «Подключение».

Выберите лабораторную работу «Исследование преобразователей аналоговых сигналов на операционных усилителях».

Откройте лицевую панель виртуального лабораторного стенда, нажав клавишу «Начать выполнение».

1.2.Ознакомьтесь с лицевой панелью виртуального лабораторного стенда и отображенной на нем схемой измерения.

1.3.Проведите измерения в соответствии с нижеприведенными частными заданиями (пунктами выполнения лабораторной работы).

1.4.Проведите измерение характеристик и параметров неинвертирующего усилителя.

1.4.1.На лицевой панели виртуального стенда соберите схему неинвертирующего усилителя.

1.4.2.Подключите на схеме измерения к контрольным точкам Т1, Т7 генератор сигналов (см. рис. 2.1), осциллограф (см. рис. 2.3), измеритель АЧХ (см. рис. 2.5), анализатор спектра (см. рис. 2.4).

1.4.3.Снимите амплитудную характеристику неинвертирующего усилителя. Для этого установите частоту генератора 1 кГц. Изменив входной сигнал в диапазоне 0–2 В, снимите амплитудную характеристику усилителя (7–9 точек). Результаты измерений сведите в табл. 5.9.

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-137-

5. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ

Лабораторная работа № 6. Исследование преобразователей аналоговых сигналов на операционных усилителях

Таблица 5.9

Uвх

Uвых

1.4.4.Использовав значения входного Uвх и выходного Uвых напряжений, определите коэффициент передачи Kп усилителя.

1.4.5.Сохраните для отчета копию лицевой панели виртуального лабораторного стенда, показания цифрового индикатора и графического индикатора с помощью клавиши «Сохранить».

Необходимо помнить, что после установки каждого нового значения параметров испытательного сигнала и при изменении конфигурации лабораторного стенда для инициализации процесса измерения необходимо активизировать клавишу «Измерение».

1.4.6.Снимите амплитудно-частотную характеристику усилителя. Для

этого установите частоту генератора 1 кГц, параметры измерения: Fmin= 10 Гц; Fmax= 50000 Гц; амплитуда – 0,3; число шагов на декаду – 5. Зафиксируйте амплитудно-частотную характеристику посредством активизации клавиши

«Сохранить», определите коэффициент усиления Kу и полосу пропускания усилителя по уровню 0,707.

1.4.7.Снимите спектр выходного сигнала усилителя. Для этого зафиксируйте посредством клавиши «Сохранить» спектр выходного сигнала для частот 20 Гц, 5 кГц, 10 кГц, 20 кГц, 30 кГц.

1.4.8.Определите входное и выходное сопротивления неинвертирующего усилителя.

1.5.Проведите измерение характеристик и параметров инвертирующего усилителя.

1.5.1.На лицевой панели виртуального стенда соберите схему инвертирующего усилителя.

1.5.2.Снимите амплитудную характеристику инвертирующего усилителя. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными в п. 1.4.3.

1.5.3.Определите коэффициент передачи Kп усилителя. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными в п. 1.4.4.

1.5.4.Сохраните для отчета копию лицевой панели виртуального лабораторного стенда, показания цифрового индикатора и графического индикатора с помощью клавиши «Сохранить».

1.5.5.Снимите амплитудно-частотную характеристику усилителя. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными в п. 1.4.6.

1.5.6.Снимите спектр выходного сигнала усилителя. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными в п. 1.4.7.

1.5.7.Определите входное и выходное сопротивления инвертирующего

усилителя.

1.6.Проведитеизмерениехарактеристик и параметров дифференциатора.

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-138-

5. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ

Лабораторная работа № 6. Исследование преобразователей аналоговых сигналов на операционных усилителях

1.6.1.На лицевой панели виртуального стенда соберите схему диффе-

ренциатора.

1.6.2.Снимите амплитудную характеристику дифференциатора. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными в п. 1.4.3.

1.6.3.Определите коэффициент передачи Kп дифференциатора. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными в п. 1.4.4.

1.6.4.Сохраните для отчета копию лицевой панели виртуального лабораторного стенда, показания цифрового индикатора и графического индикатора с помощью клавиши «Сохранить».

1.6.5.Снимите амплитудно-частотную характеристику дифференциатора. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными в п. 1.4.6.

1.6.6.Снимите спектр выходного сигнала дифференциатора. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными в п. 1.4.7.

1.6.7.Определите входное и выходное сопротивления дифференциатора.

1.7.Проведите измерение характеристик и параметров интегратора.

1.7.1.Налицевойпанеливиртуальногостендасоберитесхемуинтегратора.

1.7.2.Снимите амплитудную характеристику интегратора. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными в п. 1.4.3.

1.7.3.Определите коэффициент передачи Kп интегратора. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными в п. 1.4.4.

1.7.4.Сохраните для отчета копию лицевой панели виртуального лабораторного стенда, показания цифрового индикатора и графического индикатора с помощью клавиши «Сохранить».

1.7.5.Снимите амплитудно-частотную характеристику интегратора. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными в п. 1.4.6.

1.7.6.Снимите спектр выходного сигнала интегратора. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными в п. 1.4.7.

1.7.7.Определите входное и выходное сопротивления интегратора.

1.8.Проведите измерение характеристик и параметров компаратора.

1.8.1.На лицевой панели виртуального стенда соберите схему

компаратора.

1.8.2.Снимите амплитудную характеристику компаратора. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными в п. 1.4.3.

1.8.3.Определите коэффициент передачи Kп компаратора. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными в п. 1.4.4.

1.8.4.Сохраните для отчета копию лицевой панели виртуального лабораторного стенда, показания цифрового индикатора и графического индикатора с помощью клавиши «Сохранить».

1.8.5.Снимите амплитудно-частотную характеристику компаратора. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными в п. 1.4.6.

1.8.6.Снимите спектр выходного сигнала компаратора. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными в п. 1.4.7.

1.8.7.Определите входное и выходное сопротивления компаратора.

1.9.Проведите измерение характеристик и параметров логарифмического усилителя.

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-139-

5. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ

Лабораторная работа № 6. Исследование преобразователей аналоговых сигналов на операционных усилителях

1.9.1.На лицевой панели виртуального стенда соберите схему логарифмического усилителя.

1.9.2.Снимите амплитудную характеристику логарифмического усилителя. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными в п. 1.4.3.

1.9.3.Определите коэффициент передачи Kп логарифмического усилителя. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными в п. 1.4.4.

1.9.4.Сохраните для отчета копию лицевой панели виртуального лабораторного стенда, показания цифрового индикатора и графического индикатора с помощью клавиши «Сохранить».

1.9.5.Снимите амплитудно-частотную характеристику логарифмического усилителя. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными вп. 1.4.6.

1.9.6.Снимите спектр выходного сигнала логарифмического усилителя. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными вп. 1.4.7.

1.9.7.Определите входное и выходное сопротивления логарифмического

усилителя.

1.10.Проведите измерение характеристик и параметров активного фильтра нижних частот.

1.10.1.На лицевой панели виртуального стенда соберите схему фильтра нижних частот.

1.10.2.Снимите амплитудную характеристику фильтра нижних частот. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными в п. 1.4.3.

1.10.3.Определите коэффициент передачи Kп фильтра нижних частот. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными в п. 1.4.4.

1.10.4.Сохраните для отчета копию лицевой панели виртуального лабораторного стенда, показания цифрового индикатора и графического индикатора с помощью клавиши «Сохранить».

1.10.5.Снимите амплитудно-частотную характеристику фильтра нижних частот. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными в п. 1.4.6.

1.10.6.Снимите спектр выходного сигнала фильтра нижних частот. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными в п. 1.4.7.

1.10.7.Определите входное и выходное сопротивления фильтра ниж-

них частот.

1.11.Проведите измерение характеристик и параметров активного фильтра верхних частот.

1.11.1.На лицевой панели виртуального стенда соберите схему фильтра верхних частот.

1.11.2.Снимите амплитудную характеристику фильтра верхних частот. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными в п. 1.4.3.

1.11.3.Определите коэффициент передачи Kп фильтра верхних частот. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными в п. 1.4.4.

1.11.4.Сохраните для отчета копию лицевой панели виртуального лабораторного стенда, показания цифрового индикатора и графического индикатора с помощью клавиши «Сохранить».

1.11.5.Снимите амплитудно-частотную характеристику фильтра верхних частот. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными в п. 1.4.6.

1.11.6.Снимите спектр выходного сигнала фильтра верхних частот. Для этого руководствуйтесь указаниями, изложенными в п. 1.4.7.

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-140-

5. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ

Лабораторная работа № 6. Исследование преобразователей аналоговых сигналов на операционных усилителях

1.11.7. Определите входное и выходное сопротивления фильтра верхних частот.

1.12. С помощью клавиши «Выход» на лицевой панели завершите выполнение лабораторного задания по экспериментальному исследованию основных характеристик и параметров усилителя низкой частоты.

2. Задание для исследования характеристик и параметров усилителя низкой частоты с помощью моделирования на ПЭВМ

С помощью программных средств моделирования системы OrCad по математической модели (см. прил. 2) произведите моделирование в соответствии с заданием, приведенным в главе 4.

Сопоставьте результаты измерений и моделирования.

Указания по выполнению задания

2.1. При выполнении задания руководствуйтесь описанной в главе 4 общей технологией исследования аналоговых устройств с помощью средств моделирования OrCad и методиками исследования.

2.2. Сохраните для отчета полученные путем моделирования графики характеристик усилителя низкой частоты.

Задание для обработки результатов исследования

2.3.По результатам моделирования рассчитайте коэффициент передачи аналогового устройства, полосу пропускания, входное и выходное сопротивления.

2.4.Сравните значения параметров усилителя, полученные путем измерения и моделирования.

Требованиякоформлениюотчетаполабораторнойработе

Отчет по лабораторной работе оформляют в виде электронного документа в текстовом редакторе Word.

В отчете должны быть приведены:

1.Общие задачи выполнения лабораторной работы.

2.Вид сохраненной лицевой панели виртуального лабораторного стенда.

3.Результаты измерений и обработки, включающие:

графики амплитудной характеристики аналоговых устройств (пп. 1.4.3, 1.5.2–1.11.2);

графики амплитудно-частотной характеристики аналоговых устройств

(пп. 1.4.6, 1.5.5–1.11.5);

значения полосы пропускания и коэффициента передачи аналоговых устройств (пп. 1.4.6, 1.5.5–1.11.5);

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-141-

5. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ

Лабораторная работа № 6. Исследование преобразователей аналоговых сигналов на операционных усилителях

графики спектра выходного сигнала аналоговых устройств (пп. 1.4.7, 1.5.6–1.11.6);

значения входного и выходного сопротивлений аналоговых устройств

(пп. 1.4.8, 1.5.7–1.11.7).

4. Результаты моделирования и их обработки, включающие:

графики амплитудной, амплитудно-частотной, спектра выходного сигнала аналоговых устройств;

значения коэффициента передачи, полосы пропускания, входного и выходного сопротивлений.

5. Выводы по лабораторной работе о степени близости результатов измерений и моделирования и соответствии их теоретическим и физическим представлениям и закономерностям.

Контрольныевопросы

1.Какова передаточная функция усилительного устройства?

2.Каким образом определяется полоса пропускания усилительного уст-

ройства?

3.Понятие обратной связи в усилителе.

4.Какие виды обратной связи применяются в усилительных устройствах?

5.Понятие операционного усилителя.

6.Какова структура операционного усилителя?

7.Какова схема простого операционного усилителя?

8.Каковы основные параметры и характеристики операционного уси-

лителя?

9.Каковы разновидности аналоговых устройств различного назначения на основе операционных усилителей?

10.Каковы параметры и характеристики неинвертирующего усилителя?

11.Каковы параметры и характеристики инвертирующего усилителя?

12.Каковы параметры и характеристики логарифмического усилителя?

13.Каковы параметры и характеристики компараторов?

14.Каковы параметры и характеристики разностного усилителя?

15.Каким образом осуществляется коррекция частотных характеристик устройств на операционных усилителях?

16.Какова классификация активных фильтров?

17.Каковы характеристики ФНЧ, ФВЧ, ПФ первого порядка?

18.Каковы характеристики ФНЧ, ФВЧ, ПФ второго порядка?

19.В чем отличие фильтров Баттерворта, Чебышева, Бесселя?

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-142-