200101_jeimpt_lr_2012

Резисторы – группа Basic

12.3 Краткие сведения из теории

В суммирующем усилителе (рис. 12.1), пренебрегая входными токами и напряжением смещения, выполняются следующие соотношения:

I1 U1	R1 ,	I2 U2 R2 ,	(12.1)
		I I1 I2 ,	(12.2)
IOC I1	I2	UВЫХ ROC .	(12.3)

Из приведенных соотношений можно получить следующее выражение для выходного напряжения:

Рисунок 12.1 – Инвертирующий сумматор на ОУ

I

R

U

1

U

2

U

I

R

,

(12.4)

ВЫХ

2

1

OC

R1

OC

R2

которое при выполнении условия R R1 R2 примет вид

U			ROC	U		U		.	(12.5)
	ВЫХ				1		2
			R
		151

Знак «минус» в формуле означает, что выходное напряжение инвертирующего сумматора находится в противофазе с суммой входных напряжений.

12.4 Порядок проведения экспериментов

Эксперимент 1. Исследование работы схемы в режиме суммирования постоянных напряжений

а) Измерение токов и напряжения в исследуемой схеме

Создайте схему, изображенную на рис. 12.2. Включите схему. Выполните измерение токов I1, I2, I, IOC и напряжения UВЫХ в схеме. Запишите показания измерительных приборов и зарисуйте схему (рис. 12.5) в раздел «Содержание отчета».

Рисунок 12.2 – Схема исследования инвертирующего сумматора на ОУ

б) Расчет токов и напряжений исследуемой схемы

По заданным номиналам элементов схемы, приведенной на рис. 12.2, рассчитайте значения токов I1, I2, I, IOC и, используя значения напряжений U1 и U2, вычислите выходное напряжение UВЫХ. Использованные расчетные соотношения и полученные результаты запишите в раздел «Содержание отчета», там же приведите принципиальную схему исследуемого каскада с учетом стандартных обозначений без отображения используемых измерительных приборов.

152

Эксперимент 2. Исследование работы схемы в режиме суммирования постоянного и переменного напряжений

а) Снятие осциллограмм и измерение напряжений в исследуемой схеме

Создайте схему, изображенную на рис. 12.3.

Рисунок 12.3 – Схема исследования инвертирующего сумматора на ОУ в режиме суммирования постоянного и переменного напряжений

Включите схему. Зарисуйте осциллограммы входных напряжений и выходного напряжения в разделе «Содержание отчета» (рис. 12.6). Измерьте постоянную составляющую U0.ВЫХ и амплитуду выходного напряжения UВЫХ схемы инвертирующего сумматора.

б) Расчет постоянной составляющей и амплитуды выходного напряжения в исследуемой схеме

Вычислите постоянную составляющую и амплитуду выходного напряжения UВЫХ, используя значения напряжений U1 и U2. Расчетные соотношения и полученные результаты запишите в раздел «Содержание отчета».

в) Снятие осциллограмм и измерение напряжений в схеме при изменении параметров ее элементов

Установите значение сопротивления R2 равным 2.5 кОм. Включите схему. Зарисуйте осциллограммы входных напряжений и выходного напряжения в раздел «Содержание отчета» (рис. 12.7). Измерьте

153

постоянную составляющую и амплитуду выходного напряжения

UВЫХ.

г) Расчет постоянной составляющей и амплитуды выходного напряжения схемы при изменении параметров ее элементов

Вычислите постоянную составляющую и амплитуду выходного напряжения UВЫХ, используя значения напряжений U1 и U2. Расчетные соотношения и полученные результаты запишите в раздел «Содержание отчета».

Эксперимент 3. Исследование работы схемы в режиме суммирования переменных напряжений

а) Снятие осциллограмм и измерение напряжений в исследуемой схеме

Создайте схему, изображенную на рис. 12.4.

Рисунок 12.4 – Схема исследования инвертирующего сумматора на ОУ в режиме суммирования переменных напряжений

Включите схему. Зарисуйте осциллограммы входного и выходного напряжения в разделе «Содержание отчета» (рис. 12.8). Измерьте амплитуды входных напряжений и выходного напряжения.

б) Расчет амплитуды выходного напряжения исследуемой схемы

Вычислите амплитуду выходного напряжения UВЫХ схемы инвертирующего сумматора по известным значениям амплитуд

154

напряжений U1 и U2. Использованные расчетные соотношения и полученные результаты запишите в раздел «Содержание отчета».

12.5 Содержание отчета

Эксперимент 1. Исследование работы схемы в режиме суммирования постоянных напряжений

а) Измерение токов и напряжения в исследуемой схеме

Рисунок 12.5 – Принципиальная схема инвертирующего сумматора

Ток первого суммируемого сигнала (измерение)	I1	= __________
Ток второго суммируемого сигнала (измерение)	I2	= __________
Общий ток суммируемых сигналов (измерение)	I = ___________
Ток в цепи отрицательной обратной связи (измерение)	IOC = _________
Выходное напряжение сумматора (измерение)	UВЫХ ________

б) Расчет токов и напряжений исследуемой схемы

Напряжение первого суммируемого сигнала	U1		= 5 В
Напряжение второго суммируемого сигнала	U2		= 3 В
Ток первого суммируемого сигнала (расчет)	I1	= __________
Ток второго суммируемого сигнала (расчет)	I2	= __________
Общий ток суммируемых сигналов (расчет)	I = ___________
Ток в цепи отрицательной обратной связи (расчет)	IOC = _________
Выходное напряжение сумматора (расчет)	UВЫХ ________

Эксперимент 2. Исследование работы схемы в режиме суммирования постоянного и переменного напряжений

а) Снятие осциллограмм и измерение напряжений в исследуемой схеме

155

Постоянная составляющая выходного напряжения

(измерение)

U0ВЫХ = ________

Амплитуда переменной составляющей выходного

напряжения (измерение)

UВЫХ = _________

Рисунок 12.6 – Осциллограммы сигналов схемы для случая суммирования постоянного и переменного напряжения при R2 = 5 кОм

б) Расчет постоянной составляющей и амплитуды выходного напряжения в исследуемой схеме

Амплитуда напряжения первого суммируемого сигнала	U1	= 1 В
Напряжение второго суммируемого сигнала	U2	= 1 В
Постоянная составляющая выходного напряжения	U0ВЫХ = ______
(расчет)
Амплитуда переменной составляющей выходного
напряжения (расчет)	UВЫХ = _______

в) Снятие осциллограмм и измерение напряжений в схеме при изменении параметров ее элементов

Рисунок 12.7 – Осциллограммы сигналов схемы для случая суммирования постоянного и переменного напряжения при R2 = 2,5 кОм

Постоянная составляющая выходного напряжения
(измерение)	U0ВЫХ = _____
Амплитуда переменной составляющей выходного
напряжения (измерение)	UВЫХ = ______
156

г) Расчет постоянной составляющей и амплитуды выходного напряжения схемы при изменении параметров ее элементов

Амплитуда напряжения первого суммируемого сигнала	U1	= 1 В
Напряжение второго суммируемого сигнала	U2	= 1 В
Постоянная составляющая выходного напряжения
(расчет)	U0ВЫХ = _____
Амплитуда переменной составляющей выходного
напряжения (расчет)	UВЫХ = _____

Эксперимент 3. Исследование работы схемы в режиме суммирования переменных напряжений

а) Снятие осциллограмм и измерение напряжений в исследуемой схеме

Рисунок 12.8 – Осциллограммы сигналов схемы для случая суммирования переменных напряжений

Амплитуды входных напряжений (измерение)	U1 = U2 = _______
Амплитуда переменной составляющей выходного
напряжения (измерение)	UВЫХ = _________

б) Расчет амплитуды выходного напряжения исследуемой схемы

Амплитуда напряжения первого суммируемого
сигнала	U1	= 1 В
Амплитуда напряжения второго суммируемого
сигнала	U2	= 1 В
Амплитуда переменной составляющей выходного
напряжения (расчет)	UВЫХ = _________

12.6 Вопросы для самопроверки

1. Объясните влияние напряжения смещения ОУ на ошибку суммирования постоянных напряжений в схеме, приведенной на

157

рис. 12.1.

2.Из каких условий выводится соотношение между входным

ивыходным напряжением в схеме сумматора на основе ОУ?

3.Как можно реализовать схему для суммирования трех или более входных напряжений?

4.Как изменятся основные соотношения для схемы, приведенной на рис. 12.1, если на неинвертирующий вход ОУ подать постоянное напряжение?

5.Перечислите возможные способы изменения коэффициентов суммирования сигналов в схеме, приведенной на рис. 12.1.

6.При каких ограничениях на входные сигналы схема сумматора работает в линейном режиме?

Лабораторная работа № 13 Дифференцирующие и интегрирующие схемы на основе ОУ

13.1 Цель работы

1.Исследование схемы интегратора на ОУ.

2.Анализ влияния входных воздействий на выходной сигнал интегратора.

3.Исследование влияния параметров элементов интегратора на выходной сигнал.

4.Исследование схемы дифференциатора на ОУ.

5.Анализ влияния входных воздействий на выходной сигнал дифференциатора.

6.Исследование влияния параметров элементов дифференциатора на выходной сигнал.

13.2 Приборы и элементы

Мультиметр – группа Instruments

Осциллограф – группа Instruments Функциональный генератор – группа Instruments Операционный усилитель LM741 – группа Analog ICs

Резисторы – группа Basic Конденсаторы – группа Basic

158

13.3 Краткие сведения из теории

На основе ОУ можно построить почти идеальные интеграторы. На рис. 13.1 показана простая схема, выполняющая эту функцию.

Рисунок 13.1 – Интегратор на ОУ

Выходное напряжение схемы Uвых связано с входным напряжением Uвх следующими соотношениями:

	Uв х	C	dUв ых	,	U			1	t	U	dt const .
						в ых
	R		dt					RC			в х
									0

Недостатком этой схемы является дрейф выходного напряжения, обусловленный напряжением смещения и входными токами ОУ.

Это нежелательное явление можно ослабить, если к конденсатору С подключить резистор R2 с большим сопротивлением (рис. 13.2), обеспечивающий стабилизацию рабочей точки за счет обратной связи постоянному току. Резистор обратной связи R2 предотвращает также насыщение ОУ после заряда конденсатора, когда ток через конденсатор станет равным нулю. Выходное напряжение этой схемы при подаче на нее скачка входного напряжения амплитудой Uвх изменяется в соответствии с выражением:

				R			t
U		U		2	1	exp
	в ых		в х
				R1			R2C .

159

На начальном интервале переходного процесса при t 4R2C , изменение выходного напряжения Uвых будет достаточно близко к линейному и скорость его изменения может быть вычислена из выражения:

Uв ых Uв х .

t R1C

Рисунок 13.2 – Улучшенная схема интегратора на ОУ

Рисунок 13.3 – Дифференциатор на ОУ

Для схемы дифференциатора (рис. 13.3) выходное напряжение Uвых пропорционально скорости изменения входного сигнала и вычисляется по формуле:

Uв ых R2C Uв х .

t

13.4 Порядок проведения экспериментов

Эксперимент 1. Переходный процесс в схеме интегратора

Создайте схему, изображенную на рис. 13.4. Включите схему. Зарисуйте осциллограммы входного и выходного напряжения схемы при

160