Исследование схем сумматора и интегратора на интегральных

Операционных усилителях

1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Изучение принципов построения, работы и характеристик схем сумматоров и интеграторов на операционных усилителях.

2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ

С помощью суммирующих усилителей осуществляют суммирование электрических сигналов, получают выходной сигнал пропорциональный сумме нескольких входных сигналов. Такой усилитель можно построить как по инвертирующей, так и по неинвертирующей схемам.

Рассмотрим инвертирующий суммирующий усилитель (рис. 1).

рис. 1. суммирующий инвертирующий усилитель

При условии, что собственный входной ток и дифференциальное входное напряжение ОУ равны нулю получим, что сумма входных токов равна току в цепи обратной связи

.

Каждый из входных токов определяется соответствующим входным напряжением и сопротивлением входной цепи

I _вхk=U_вхk/R_k ,

а ток обратной связи зависит от выходного напряжения и сопротивления обратной связи

I_oc=U_вых/R_oc .

С учетом этого получим

,

или

.

Таким образом выходное напряжение пропорционально сумме входных, взятых со своими масштабными или весовыми коэффициентами. Эти коэффициенты при каждом U_вхk равны отношению R_oc к соответствующему входному сопротивлению R_k как в обычном инвертирующем усилителе.

Если R₁ =R₂ =...=R_n =R_вх , то входные сигналы будут суммироваться с одинаковыми весами

.

Можно заметить, что подключение дополнительных входов не влияет на коэффициент передачи сигналов, подключенных ранее. Данная схема применяется для аналоговых вычислений и в любых системах, в которых несколько сигналов должны складываться.

интегратор может быть представлен в виде схемы на рис. 2, которая является инвертирующим усилителем в цепь обратной связи которого включена емкость. Напряжение на выходе схемы представляет собой интеграл от входного сигнала. Так как собственный входной ток и входное дифференциальное напряжение ОУ близки к нулю, входной ток, протекающий через резистор R, будет равен току обратной связи проходящему через конденсатор С

.

Левый вывод конденсатора потенциально заземлен, поэтому

Рис. 2. Интегратор

выходное напряжение практически равно напряжению на конденсаторе взятому с противоположным знаком

,

где RС — постоянная времени интегрирования.

При подаче на вход интегратора скачка напряжения в виде ступеньки, на выходе получим линейно нарастающее напряжение с отрицательным наклоном.

Длительность времени интегрирования и требуемая точность определяют тип ОУ. В интеграторах с большими постоянными времени следует использовать ОУ с малыми входными токами и конденсаторы с малыми токами утечки.

Обычно работа интегратора делится на три периода: сброс, интегрирование и хранение. В режиме сброса (рис. 3) ключ S₁ замыкают, а ключ S₂ размыкают. В этот период происходит начальный заряд емкости, т. е. создаются начальные условия для процесса интегрирования. В режиме интегрирования ключ S₁ размыкают, а ключ S₂ замыкают. В режиме хранения оба ключа размыкают и выходное напряжение удерживается на уровне, достигнутом к моменту размыкания ключей. В это время конденсатор разряжается за счет собственной утечки и входного тока ОУ. Обычно вместо показанных на схеме переключателей используют электронные ключи. Полоса пропускания интегратора зависит от типа используемого ОУ, а время интегрирования может изменяться от 1 мс до 1000 с.

Рис. 3. Интегратор с управлением режимом работы

3. ОБЪЕКТЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ

3. 1. Стенд для исследования схем решающих усилителей ЭС23.

3. 2. Электронный осциллограф С1-67 (С1-68).

4. ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ

Ознакомиться со схемами, принципом работы, с основными параметрами и характеристиками сумматоров и интеграторов, выполненных на основе интегральных операционных усилителей. Изучить расположение органов управления, измерительных приборов и коммутационных гнезд на передней панели стенда. Включить осциллограф. Подключить кабель сетевого питания стенда к розетке и переводом тумблера “Сеть” вверх включить стенд. О включении свидетельствует свечение индикатора включения.

5. ПРОГРАММА РАБОТЫ

5.1. Исследование сумматора

Установить на лицевой панели стенда накладную панель № 3 с изображением сумматора (рис 4). С помощью клавиш переключателя В1, расположенного в функциональной зоне 3, установить в цепи обратной связи суммирующего усилителя резистор R3. Нажав кнопки “ “ переключателей “ВХ1” И “ВХ2” источника сигналов, подать постоянные регулируемые напряжения на входы 1 и 2 суммирующего усилителя. Вращая ручки соответствующих потенциометров, установить требуемую величину входных напряжений ( по указанию преподавателя ). С помощью вольтметра “U_вх“ измерить входные напряжения, подключаясь к разным входам. Вольтметр “U_вых“ показывает величину выходного напряжения сумматора. Светодиодный индикатор указывает полярность измеряемого напряжения. На гнездах, расположенных в функциональной зоне 3, можно проконтролировать напряжения с помощью внешних измерительных приборов. Опыты повторить для второго значения резистора обратной связи: R4 , результаты измерения напряжений во всех контрольных точках свести в таблицу.

По результатам измерений определить коэффициенты передачи усилителя по каждому входу при различных параметрах схемы. Результаты поместить в таблицу.

Рассчитать величину напряжений на выходе сумматора теоретически при известных входных напряжениях и коэффициентах передачи. сравнить значения напряжений на выходе сумматора, полученные теоретически и экспериментально по результатам измерений.

Рис. 4. Схема исследуемого сумматора

5.2. Исследование интегратора

Установить и закрепить на лицевой панели накладную панель № 5.2 с изображением интегратора (рис 5). Задать необходимое время интегрирования, нажав кнопку переключателя В1, расположенного в функциональной зоне 5. Нажать одну из кнопок переключателя В2, расположенного в зоне 5, для установки необходимой постоянной времени интегрирования. Регистрируя одновременно показания цифрового секундомера и вольтметра “U_вых“, построить переходную характеристику интегрирования. На гнездах, расположенных в функциональной зоне 5, измерить изменение напряжения в характерных точках интегратора.

Рис. 5. Схема исследуемого интегратора

6. УКАЗАНИЯ К СОСТАВЛЕНИЮ ОТЧЕТА

Отчет должен содержать цель работы, принципиальные схемы исследуемых устройств, выполненные в соответствии с требованиями ГОСТов, таблицы с экспериментальными и расчетными результатами, основные расчетные соотношения, графики полученных характеристик, построенные в масштабе времени.

7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. какими способами может быть построен сумматор на основе операционного усилителя?

2. Как определить коэффициент передачи i-го входного сигнала по инвертирующему входу сумматора?

3. Какие условия должны выполняться для суммирования входных сигналов с одинаковым весом?

4. Что такое параллельные сумматоры?

5. На чем основан принцип работы интегратора?

6.Чем обусловлены основные составляющие ошибок интегрирования на ОУ?

7. Как зависит постоянная времени интегрирования от параметров схемы?

8. Объясните вид амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик интегратора.

9. Назовите области применения аналоговых сумматоров и интеграторов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Коломбет Е. А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. - М. : Радио и связь, 1991.-376 с.

2. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - 304 с.

3. Алексенко А. Г., Коломбет Е. А., Стародуб Г. И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. - М. : Радио и связь,1985- 304 с.

4. Шило В. Л. Функциональные аналоговые интегральные микросхемы. - М. : Радио и связь,1982. -408с.

5. Рутковски Дж. Интегральные операционные усилители: Пер. с англ. - М. : Мир, 1978. -377 с.

Лабораторная работа № 6

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: