7. Исследование схем суммирования, интегрирования и дифференцирования на операционном усилителе. Общие сведения

Для суммирования нескольких напряжений обычно применяется операционный усилитель в инвертирующем включении (рис. 3.7.1.а). Входные напряжения через добавочные резисторы подаются на инвертирующий вход усилителя. Поскольку потенциал этой точки равен нулю, а ток через сопротивление обратной связи равен сумме токов в добавочных сопротивлениях, получим:

При R₁=R₂= … =R_n = R_ВХ, получим:

Рис. 3.7.1

Простейшая схема интегрирования представлена на рис. 3.7.1б. В ней мгновенное значение выходного напряжения равно напряжению на конденсаторе:

Но i_C(t)=-i_ВХ(t) = -u_ВХ(t)/R, поэтому

Постоянное слагаемое u_вых(0) определяет начальное условие интегрирования. Для «обнуления» начальных условий конденсатор необходимо перед началом интегрирования разрядить. При отсутствии входного сигнала выходное напряжение может дрейфовать вследствие интегрирования токов утечки. Для уменьшения этого дрейфа параллельно конденсатору включают большое сопротивлениеR_ОС. Но оно ограничивает частотный диапазон интегратора в области низких частот.

Амплитудно-частотная характеристика идеального интегрирующего усилителя описывается выражением:

Поменяв местами конденсатор с резистором в схеме интегрирования, получим дифференцирующий усилитель (рис. 3.7.1в). Резистор R1<<Rвводится для повышения устойчивости усилителя на высоких частотах.

В этой схеме:

Выражение амплитудно-частотной характеристики дифференцирующего усилителя имеет вид:

При снятии частотных характеристик в данной работе входное и выходное напряжения измеряются с помощью миниблока «Измерительный преобразователь» («ИП»). Постоянное напряжение на его выходе равно действующему значению синусоидального напряжения на входе. Непосредственное измерение синусоидального напряжения мультиметром невозможно, так как его частотный диапазон ограничен от 40 до 400 (или 1000) Гц. К этому миниблоку необходимо подвести питание + и – 15 В, а также подсоединить к нему общую точку источника 0. В ходе работы входной зажим Измерительного преобразователя подключается к входу и выходу схемы усилителя, а вольтметр постоянного напряжения всегда остаётся подключённым к выходным зажимам измерительного преобразователя. Необходимо только переключать пределы измерения мультиметра в соответствии с уровнем измеряемого напряжения.

Экспериментальная часть Задание

Исследовать свойства суммирующего усилителя при постоянных входных напряжениях. Пронаблюдать с помощью осциллографа интегрирование и дифференцирование сигналов различной формы. Снять амплитудно-частотные характеристики интегрирующего и дифференцирующего усилителей.

Порядок выполнения экспериментов

• Соберите цепь суммирующего усилителя (рис. 3.7.2 и 3.7.3).

• Включите блок генераторов напряжений, мультиметры и установите напряжение U_ВХ2= 2 В.

• Изменяя напряжение U_ВХ1 от -10 В до +10 В, снимите зависимостьU_ВЫХ(U_ВХ1) (таблица 3.7.1) и постройте график (рис. 3.7.4).

• Снимите ту же зависимость при U_ВХ2= - 2 В и также постройте график.

• Замените сопротивление обратной связи 10 кОм сопротивлением 22 кОм и снова снимите зависимость U_ВЫХ(U_ВХ1) приU_ВХ2= 2 В и при U_ВХ2= - 2 В. На том же рисунке постройте графики.

Таблица 3.7.1

UВХ1, В	0	2	4	6	8	10	Примечания
UВЫХ, В							UВХ2=+2 В,RОС=10 кОм
							UВХ2=-2 В,RОС=10 кОм
							UВХ2=+2 В,RОС=22 кОм
							UВХ2=-2 В,RОС=22 кОм

Рис. 3.7.2

Рис. 3.7.3

Рис. 3.7.4

• Соберите цепь интегрирующего усилителя (рис. 3.7.5 и 3.7.6). Не используйте длинных проводов на входе усилителя, которые могут создавать помехи и привести к самовозбуждению схемы. Включите осциллограф.

• Установите ручку переключателя формы сигнала в положение «~», множитель частоты – в положение «×10», ручку-счётчик – в положение 100 (частота 1 кГц), ручкой-регулятором амплитуды поверните в крайнее левое положение и включите генератор осциллограф и мультиметры.

• Регулятором амплитуды установите на входе синусоидальное напряжение, и убедитесь, что происходит интегрирование входного сигнала (напряжение на выходе отстаёт от напряжения на входе на 90⁰). Переведите переключатель в положение «», затем «» и по форме выходного сигнала убедитесь, что происходит интегрирование. (Если наблюдается ограничение вершин выходного сигнала, то уменьшите входное напряжение).

• Снова подайте на вход синусоидальное напряжение максимальной амплитуды, при которой ещё нет ограничения выходного сигнала и, увеличивая частоту согласно табл.3.7.2, снимите зависимость выходного напряжения от частоты. При переходе на другой диапазон частот (множитель 100) увеличьте входное напряжение, но так, чтобы не ограничивался выходной сигнал.

• Вычислите коэффициент передачи интегрирующего усилителя K = U_ВЫХ/U_ВХи на рис. 3.7.8 в логарифмическом масштабе постройте график.

• Соберите цепь дифференцирующего усилителя (рис. 3.7.7).

Рис. 3.7.5

Рис. 3.7.6

Таблица 3.7.2

	Интегрирующий усилитель			Дифференцирующий усилитель
f,кГц	UВХ, мВ	UВЫХ, В	K		UВХ, мВ	UВЫХ, В	K
1
1,5
2
3
4
5
6
7
8
9
10
15
20
30
40
50
60
70
80
90
100

Рис.3.7.7

• Установите ручку переключателя формы сигнала в положение «~», множитель частоты – в положение «×100», ручку-счётчик – в положение 000 (частота 100 кГц), ручкой-регулятором амплитуды поверните в крайнее левое положение и включите генератор осциллограф и мультиметры.

• Регулятором амплитуды установите на входе синусоидальное напряжение, и убедитесь, что происходит дифференцирование входного сигнала (напряжение на выходе опережает входное напряжение на 90⁰). Переведите переключатель в положение «», затем «» и по форме выходного сигнала убедитесь, что происходит дифференцирование. (Если наблюдается ограничение вершин выходного сигнала, то уменьшите входное напряжение).

• Снова подайте на вход синусоидальное напряжение максимальной амплитуды, при которой ещё нет ограничения выходного сигнала и, уменьшая частоту согласно табл.3.7.2, снимите зависимость выходного напряжения от частоты. При переходе на другой диапазон частот (множитель 10) увеличьте входное напряжение, но так, чтобы не ограничивался выходной сигнал.

• Вычислите коэффициент передачи интегрирующего усилителя K = U_ВЫХ/U_ВХи на том же рис. 3.7.7 постройте график.

Рис.3.7.8