лабораторные работы на NI ELVIS

Высоковольтные ОУ. Все напряжения для них (питания, синфазное входное, максимальное выходное) значительно больше, чем для ОУ широкого применения.

Быстродействующие ОУ имеют высокую скорость нарастания и частоту единичного усиления. Такие ОУ не могут быть микромощными, и как правило выполнены на биполярных транзисторах.

Малошумящие ОУ.

Звуковые ОУ. Имеют минимально возможный коэффициент гармоник

(THD).

Специализированные ОУ. Обычно разработаны для конкретных задач (подключение фотодатчика, магнитной головки, и др.). Могут содержать в себе готовые цепи ООС или отдельные необходимые для этого прецизионные резисторы.

Возможны также комбинации данных категорий, например, прецизионный быстродействующий ОУ.

Другие классификации

По входным сигналам:

Обычный двухвходовый ОУ;

ОУ с тремя входами: третий вход, имеющий коэффициент передачи +1 (для чего используется внутренняя ООС), используется для расширения возможностей ОУ, например, смещение по напряжению выходных сигналов относительно входных, или возможность построения каскада с высоким выходным сопротивлением синфазному сигналу, что напоминает трансформатор с двумя обмотками, однако каскад на AD8132 передаёт и постоянный ток, что трансформатор не может.

По выходным сигналам:

Обычный ОУ с одним выходом;

ОУ с дифференциальным выходом

Области применения

Предусилители и буферные усилители звукового и видеочастотного диапазона

Компараторы напряжения

Дифференциальные усилители

Дифференциаторы и интеграторы

Фильтры

Выпрямители повышенной точности

Стабилизаторы напряжения и тока

Аналоговые вычислители

Аналого-цифровые преобразователи

Цифро-аналоговые преобразователи

Генераторы сигналов

Преобразователи ток-напряжение и напряжение-ток

Добавление нескольких конденсаторов и резисторов к базовой схеме включения операционного усилителя (ОУ) может привести к некоторым любопытным аналоговым схемам, таким как фильтры, интеграторы и дифференциаторы. Фильтры используются для пропускания сигналов в определенной полосе частот, интеграторы – в системах пропорционального управления, а дифференциаторы – в схемах подавления помех и генерации сигналов.

Интерактивные панели управления (ИПУ), используемые в данной лабораторной работе

Цифровой мультиметр DMM, функциональный генератор FGEN, осциллограф OSC, анализатор импеданса IA и Боде анализатор.

Компоненты, используемые в данной лабораторной работе

Резистор R1 номиналом 10 кОм (коричневый, черный, оранжевый) Резистор Rf номиналом 100 кОм (коричневый, черный, желтый) Конденсатор C1 емкостью 1 мкФ

Конденсатор Cf емкостью 0.01 мкФ ОУ 4558

Упражнение 5.1. Частотный отклик базовой схемы включения ОУ

На макетной плате соберите простейшую схему включения (на рисунке ниже приведена схема с ОУ 741, используя приложение определить расположение инвертирующего и неинвертирующего входов, “+” и “-” напряжения питания, выхода для ОУ 4558 и собрать схему) инвертирующего ОУ 4558 с коэффициентом усиления (КУ), порядка 10.

Собранная на макетной плате схема, например, может выглядеть следующим образом:

Обратите внимание, что для ОУ используются оба источника питания постоянного тока: +15 В и –15 В. Соответствующие линии имеют гнезда на макетной плате (помечены как +15V, –15V и Ground). Входное напряжение на ОУ V1 подайте с гнезд [FGEN] и [Ground]. Порядок величены входного напряжения определить по приложению. Выходное напряжение ОУ Vout подайте на гнезда осциллографа [CHA+] и [CHA–].

Вменю запуска инструментов NI ELVIS выберите функции Function Generator (Функциональный генератор) и Oscilloscope (Осциллограф).

Вкачестве источника для канала А на лицевой панели осциллографа установите [BNC/Board CH A]. Для наблюдения за входным сигналом в канале

Бисточником для него сделайте [FGEN FUNC_OUT].

Примечание. Программная установка источника для канала Б позволяет обойтись без проводов, соединяющих входы канала Б и осциллографа.

На ИПУ функционального генератора установите следующие параметры:

Еще раз проверьте схему, затем включите питание макетной платы. Запустите функциональный генератор FGEN и осциллограф OSC в непрерывном режиме.

Понаблюдайте за тестирующим напряжением V1 в канале Б и выходным напряжением операционного усилителя Vout в канале А.

Поскольку источником тестирующего сигнала является функциональный генератор FGEN, то в качестве источника триггерного сигнала можно выбрать

SYNC_OUT.

В окне осциллографа измерьте амплитуду на входе ОУ (CH B) и на выходе из него (CH A). Обратите внимание, что выходной сигнал инвертирован по отношению к входному. В этом нет ничего удивительного, поскольку сигнал подается на инвертирующий вход ОУ.

Вычислите коэффициент усиления (КУ) по напряжению (отношение амплитуд в каналах А и Б). Исследуйте КУ на разных частотах от 100 Гц до 10 кГц. Заметили ли вы какую-нибудь разницу?

Насколько хорошо измерения согласуются с теоретическим результатом

(Rf/R1)?

Примечание. В качестве триггера вы можете использовать аналоговый сигнал из канала А или Б. В этом случае установите переключатель типа триггера Trigger Type в положение Analog (SW). Это позволит установить фронт и уровень срабатывания. Попробуйте!

Закройте окна FGEN и OSC.

Упражнение 5.2. Измерение АЧХ ОУ

Наилучшим способом изучения частотных характеристик ОУ является построение графика Боде. Чаще всего он представляет собой зависимости КУ (Дб) и фазы (градусы) от частоты, выраженной в логарифмическом масштабе. Передаточная функция схемы инвертирующего ОУ определяется следующим выражением:

Vout = – (Rf/R1) V1

где Vout – выходное напряжение ОУ, V1 – входное напряжение ОУ (в нашем случае сигнал с функционального генератора FGEN).

Коэффициентом усиления является величина (Rf/R1). Обратите внимание, что знак минус инвертирует выходной сигнал по отношению к входному. В этом случае на графике Боде мы получим прямую линию на уровне 20*log (КУ). Для КУ = 10 этот уровень будет составлять 20 дБ.

Выберите функцию Bode Analyzer (Анализатор Боде) из меню запуска инструментов NI ELVIS.

Входной (V1) и выходной (Vout) сигналы необходимо подать на контакты аналогового ввода в соответствии со следующей схемой:

На ИПУ Bode Analyzer установите следующие значения параметров:

Нажмите кнопку Run и наблюдайте за графиком Боде схемы инвертирующего ОУ.

Не забудьте посмотреть фазово-частотную характеристику (ФЧХ) схемы.

Пример схемы, собранной на макетной плате NI ELVIS:

Запустите второй график Боде, используя те же параметры, что и в упражнении

2.

Посмотрите: отклик на низких частотах уменьшается, в то время как высокочастотная часть похожа на стандартный график Боде для ОУ.

Используйте курсоры для нахождения нижней частоты среза – частоты, при которой амплитуда спадает на 3 дБ, а фаза изменяется на 45 градусов.

Насколько хорошо найденной значение согласуется с теоретически вычисленным 2πfL = 1/ R1C1?

Упражнение 5.4. Фильтр нижних частот (ФНЧ)

Спадание АЧХ ОУ на высоких частотах обуславливается наличием внутренних паразитных емкостей микросхемы 741, которые включены параллельно резистору обратной связи (ОС) Rf. Если мы добавим внешний конденсатор Cf параллельно резистору ОС Rf, это приведет к уменьшению верхней частоты среза (обозначим её fU). Нетрудно показать, что эта частота среза определяется выражением:

2πfU = 1/ Rf Cf

Закоротите входной конденсатор (не убирайте его, поскольку он понадобится нам в упражнении 4-6) и добавьте конденсатор Cf параллельно резистору ОС сопротивлением 100 кОм.