I.5. Дифференцирующий усилитель
Это устройство в котором входное и выходное напряжение связано соотношением
Uвых=KdUвх/dt |
(7) |
Простейшие дифференцирующие цепи (например RC - цепь) выполняют эту операцию со значительными погрешностями, причем с повышением точности дифференцирования существенно уменьшается уровень выходного сигнала.
Схема дифференцирующего усилителя на ОУ приведена на рис.7. Считая ОУ идеальным можно записать Uвх = Uс и Uвых = -Rос Iос , а учитывая, что Iос = Iвх = Iс = СdUвх/dt получим
Uвых= -RосCdUвх/dt, |
(8) |
где RосС= - постоянная времени дифференцирующего усилителя.
Коэффициент передачи дифференцирующего усилителя определяется выражением
К(j) = Uвых/ Uвх = j =K()e j() |
(9) |
где K() = - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ); () = /2 - фазово- частотная характеристика (ФЧХ) коэффициента передачи.
I.6. Интегрирующий усилитель
Это устройство в котором входное и выходное напряжение связано соотношением
|
(10) |
,Простейшим интегрирующим цепям (например RC - цепям) аналогичны недостатки предыдущего устройства. Схема интегрирующего усилителя на ОУ приведена на рис.8. Считая ОУ идеальным можно записать Uвх = RIвх и Uвых=Uс , а учитывая, что Iвх= -Iос= СdUвх/dt , то получим Uвх/R= -СdUвых/dt . Следовательно:
|
(11) |
,где RС= - постоянная времени интегрирующего усилителя.
Коэффициент передачи интегрирующего усилителя определяется выражением
К(j) = Uвых/ Uвх = (j)-1 =K() e j(), |
(12) |
где K() =( )-1 - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ); () =- /2 - фазово-частотная характеристика (ФЧХ) коэффициента передачи интегрирующего усилителя.
2. Задания на теоретические расчеты
До проведения расчетов необходимо изучить раздел I настоящих указаний. При проведении расчетов ОУ считать идеальным.
ЗАДАНИЕ 1. Рассчитать коэффициент усиления инвертирующего усилителя (рис.3), приняв R1=10кОм, R2=100кОм.
ЗАДАНИЕ 2. Рассчитать выходное напряжение неинвертирующего усилителя (рис.4), приняв R1=10кОм, R2=100кОм, Uвх=100мВ.
ЗАДАНИЕ 3. Рассчитать выходное напряжение дифференциального усилителя (рис.6), приняв R1=R2=10кОм, R3=R4=100кОм, Uвх1=Uвх2=1В.
ЗАДАНИЕ 4. Рассчитать и построить график АЧХ коэффициента передачи дифференцирующего усилителя (рис.7) для диапазона частот (20...20.103)Гц, приняв R=100кОм, С=16нФ.
Нарисовать временную диаграмму выходного сигнала дифференцирующего усилителя считая, что выходной сигнал периодическая последовательность однополярных импульсов с амплитудой 1В, частотой 100Гц.
ЗАДАНИЕ 5. Повторить задание 4 для схемы (рис.8) интегрирующего усилителя, считая R=100кОм, С=16нФ.
3.Описание лабораторного стенда
Комплект приборов для выполнения лабораторной работы состоит из:
лабораторного стенда;
генератора гармонических сигналов Г3-106 (Г3-109);
вольтметра В3-38;
осциллографа С1-68;
двухполярного источника питания лабораторного стенда с напряжением +15В; -15В.
Лабораторный стенд имеет на основном поле передней панели (рис.9) изображение четырех исследуемых схем линейных устройств на основе операционного усилителя. На правом дополнительном поле расположены выключатель питания SA1, индикатор включения питания, условное обозначение формирователя сигналов прямоугольной формы, клемма выхода синхронизации осциллографа, и два потенциометра балансировки ОУ, ручки которых выведены под шлиц (регулируются только при настройке стенда).
Входные
и выходные потенциальные контакты
исследуемых усилителей, а также контакты
некоторых их элементов имеют цифробуквенное
обозначение:
1а - 8а; Iв - 8в. Эти контакты
соединены внутри стенда с cоответствующими
гнездами наборного поля, выполненного
на базе розетки шестнадцатиконтактного
соединения XS1,
расположенного на нижнем дополнительном
поле передней панели. В этом же поле
установлено две пары входных”
”
и входных “
“гнезд
(зажимов). Сигнальные гнезда соединены
с контактами 1а, 8а наборного поля, а
другие - “
”
с общей точкой
схемы. Наборное поле позволяет с
помощью специальных коротких проводников с плоскими штырями производить подключение к входным и выходным гнездам исследуемых усилителей и коммутировать их цепи обратной связи в соответствии с заданиями их экспериментальные исследования.
Полная принципиальная схема лабораторного стенда и номинальные значения ее элементов приведены на рис.10. На операционном усилителе DAI (140УД6) выполнены две схемы, расположенные в левой части основного поля стенда. На ОУ DA3 (140УД8) выполнен формирователь импульсов прямоугольной формы, представляющий собой компаратор напряжений с положительной обратной связью. Назначение остальных элементов следующее:
R1,С1 - входная цепь, используемая в дифференцирующем усилителе;
R2, R5 - токоограничивающие резисторы входов ОУ DAI;
R3, R4 - входные резисторы дифференциального усилителя;
R7 - резистор обратной связи усилителя ДА1;
С2 - конденсатор устраняет самовозбуждение ДА1;
R9, R10, R11 - входные резисторы сумматора сигналов;
R14 - резистор обратной связи сумматора сигналов;
С3,R13 - цепь обратной связи интегратора на ОУ;
R6,R12 - входные резисторы неинвертирующих входов ОУ DAI и DA2;
R16 - входной токоограничивающий резистор компаратора;
R17, R18 - резисторы положительной обратной связи компаратора;
R20, R21 - резистивный делитель напряжения;
R8, R15, R19 - входные токоограничивающие резисторы ОУ;
R25,R26 - резисторы балансировки ОУ;
SA1 - выключатель питания;
R24,HL1 - элементы индикации включения питания;
VD23.VD24, R22, R23.С4,С5 - элементы стабилизации напряжения питания и защиты стенда от помех, проникающих через общий источник питания;
XS2 - клемма выхода сигнала синхронизации;
XS3 - розетка штепсельного разъема кабеля электропитания;
VD1, VD2 - диоды защиты микросхем DА1, DА2, DА3 от случайной переполюсовки источников питания.