Министерство образования и науки РФ

Дальневосточный Государственный Технический Университет

(ДВПИ им. Куйбышева)

Институт Радиоэлектроники Информатики и Электротехники

ЭЛЕКТРОНИКА

"ПРИМЕНЕНИЕ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ"

Владивосток 2010 г.

Цель работы: Ознакомиться с применением ОУ для сложения двух постоянных, двух переменных, постоянного и переменного напряжений, дифференцирования и интегрирования входных сигналов.

Для исследования был использован ОУ LM741.

1. Суммирование постоянных напряжений моделировалось на схеме рис.1.

Рис. 1. Схема суммирования постоянных напряжений

А. При U_ВХ1 = 5В и U_ВХ2 = 3В измерены: I₁ =1мА; I₂ =0,6мА; I₃ =1,6мА; I₄ =1,6мА; U_ВЫХ =-8В.

В. По значениям номиналов схемы рассчитаны:

I₁ = U₁/ R₁ = 1мА; I₂ = U₂/ R₂ =0,6мА;

I_ос = U_ВЫХ/ R₃ =1,6мА; I_ос = I₁+ I₂ = 1,6мА;

U^*_ВЫХ = - (U_ВХ1∙ R₃/ R₁ + U_ВХ2∙ R₃/ R₂) = - 8В.

Измеренное значение U_ВЫХ соответствует расчетному значению U^*_ВЫХ.

2. Суммирование постоянного и переменного напряжений моделировалось на схеме рис.2., осциллограммы напряжений приведены на Рис.2. Схема суммирования постоянного и переменного напряжений

рис.6.3

А. При U_ВХ≈ = 1В; U_ВЫХ≈ = 1В (фаза сдвинута на 180⁰); U_ВЫХ= = - 1В; расчетные значения этих величин:

U^*_ВЫХ≈ = 1В; U^*_ВЫХ= =-1В.

Рис. 3. Осциллограммы работы схемы сумматора с номиналами элементов, указанными на схеме рис. 6.2 при входном напряжении генератора 1В

0,2 мс/дел

1 В/дел

0

U_ВЫХ=

U_ВХ≈

U_ВЫХ≈

В. При U_ВХ≈ = 1В и R₂=2,5 кОм измеренное значение U_ВЫХ≈ = 1В (фаза сдвинута на 180⁰), а постоянная составляющая U_ВЫХ= = 2В (рис.4).

Расчетные значения этих величин:

U^*_ВЫХ≈ = U_ВХ1∙ R₃/ R₁ = 1В; U^*_ВЫХ= = - U_ВХ2∙ R₃/ R₂ = - 2В;

Рис. 4. Осциллограммы работы схемы сумматора с R₂=2,5 кОм

при входном напряжении генератора 1В

0,2 мс/дел

U_ВЫХ=

U_ВЫХ≈

0

1 В/дел

3. Суммирование переменных напряжений исследовалось по схеме рис.5.

Рис. 5. Схема суммирования переменных напряжений

При U_ВХ≈ = 1В; U_ВЫХ≈ = 4В (фаза сдвинута на 180⁰); U_ВЫХ= = - 4В;

Рис. 6. Осциллограммы работы сумматора переменных напряжений по схеме рис. 6.5 при входном напряжении генератора 1В

0,2 мс/дел

2 В/дел

0

U_ВЫХ≈

U_ВХ≈

расчетные значения этих величин:

U^*_ВЫХ≈ = U_ВХ∙ R₃/ R₁ + R₃/ R₁ = 4В, что соответствует результатам измерений.

4. Переходной процесс в интеграторе исследовался по схеме рис.7 На вход схемы подавались импульсы прямоугольной формы частотой 1 кГц.

Рис. 7. Интегратор на ОУ

Скорость изменения выходного напряжения (по осциллограмме рис.8) V_{U ВЫХ} = 10В/мс.

5. Влияние амплитуды входного сигнала на переходный процесс в интеграторе показан на рис.9.

Рис.8. Осциллограммы работы схемы интегратора с номиналами элементов, указанными на схеме рис. 7 при входном напряжении 1В

2 В/дел

∆U_ВЫХ

∆t _{U ВЫХ} 

0,1 мс/дел

V_{U ВЫХ} = 20В/мс, что в два раза больше, чем в предыдущем эксперименте, то есть скорость изменения выходного напряжения интегратора пропорциональна амплитуде входного сигнала.

Рис. 9. Осциллограммы работы схемы интегратора с номиналами элементов, указанными на схеме рис. 6.7 при входном напряжении 2В

0,1 мс/дел

∆U_ВЫХ

∆t _{U ВЫХ} 

2 В/дел

6. Влияние параметров схемы на переходный процесс в схеме интегратора

А. При R₁ = 5 кОм скорость изменения выходного сигнала увеличивается:

Рис. 10. Осциллограммы работы схемы интегратора (схема рис. 7)

при значении R₁ = 5 кОм и при входном напряжении 1В

0,1 мс/дел

∆U_ВЫХ

∆t _{U ВЫХ} 

2 В/дел

V_{U ВЫХ} = 20В/мс, что в 2 раза больше, чем в эксперименте по п.4 и равно значению в предыдущем эксперименте.

В. При С₁ = 0,02 мФ скорость изменения выходного сигнала (рис.11) уменьшается: V_{U ВЫХ} = 5В/мс, что в 2 раза меньше, чем в эксперименте по п.4.

Рис. 11. Осциллограммы работы схемы интегратора (схема рис. 7)

при значении С₁ = 0,02 мкФ и при входном напряжении 1В

0,1 мс/дел

∆U_ВЫХ

∆t _{U ВЫХ} 

2 В/дел

Результаты измерений по п.4 - п.6 сведены в таблицу 1.

Таблица 1

Результаты экспериментов со схемой интегратора

№ пункта эксперимента

U_ВХ (В)

R₁ (кОм)

C₁ (мкФ)

V_{U ВЫХ} (В/мс)

U_{ВЫХ MAX} (В)

4

1

10

0,01

10

2,5

5

2

10

0,01

20

5

6 А

1

5

0,01

20

5

6 В

1

10

0,02

5

1,25

7. Переходный процесс в схеме дифференциатора на ОУ исследовался по схеме рис.12, полученные осциллограммы представлены на рис.13.

Рис. 12. Схема дифференциатора на ОУ

А. Скорость изменения входного напряжения (по осциллограмме рис.13) V_{U ВХ} = 4В/мс.

В. U_ВЫХ = - R₂∙C₁∙ ∆ U_ВХ / ∆t = - R₂∙C₁∙V_{U ВХ} = - 1В, что соответствует экспериментальным данным, показанным на рис.13.

8. Для исследования влияния частоты входного напряжения, ее значение увеличено вдвое - 2 кГц (рис.14), следовательно, и скорость изменения входного напряжения (при той же амплитуде сигнала) увеличилась вдвое.

Рис. 13. Осциллограммы работы схемы дифференциатора (рис. 12) с номиналами элементов, указанными на схеме (входная частота 1 кГц)

1 В/дел

0,1 мс/дел

U_ВХ

U_ВЫХ

∆U_ВХ

∆t _{U ВХ} 

А. V_{U ВХ} = 8В/мс.

Амплитуда выходного сигнала, также увеличилась вдвое (рис.14) в сравнении с предыдущим экспериментом (рис.13).

В. U_ВЫХ = - R₂∙C₁∙ ∆ U_ВХ / ∆t = - R₂∙C₁∙V_{U ВХ} = - 2В,

что соответствует экспериментальным данным, показанным на рис.6.14.

9. Влияние сопротивления обратной связи (R₂) на выходное напряжение дифференциатора, которое в эксперименте увеличено до 10кОм.

Рис. 14. Осциллограммы работы схемы дифференциатора (рис. 12) с номиналами элементов, указанными на схеме, но при входной частоте 2 кГц

1 В/дел

0,1 мс/дел

U_ВХ

U_ВЫХ

∆U_ВХ

∆t _{U ВХ} 

А. Скорость изменения входного напряжения (рис.15) аналогична эксперименту по п.7 (рис.13) - V_{U ВХ} = 4В/мс

В. U_ВЫХ = - 2В, что соответствует экспериментальным данным, показанным на рис.14 и в 2 раза больше, чем в эксперименте по п.7 (рис.13).

10. Влияние емкости конденсатора схемы (С₁) на выходное напряжение дифференциатора, которое в эксперименте увеличено до 100нФ.

А. Скорость изменения входного напряжения (рис.16) аналогична эксперименту по п.7 (рис.13) и п.9 (рис.15) - V_{U ВХ} = 4В/мс.

Рис. 15. Осциллограммы работы схемы дифференциатора (рис.12) с номиналами элементов, указанными на схеме, кроме С1=100нФ (входная частота 1 кГц)

1 В/дел

0,1 мс/дел

U_ВХ

U_ВЫХ

∆U_ВХ

∆t _{U ВХ} 

В. U_ВЫХ = - R₂∙C₁∙ ∆ U_ВХ / ∆t = - R₂∙C₁∙V_{U ВХ} = - 2В,

что соответствует экспериментальным данным, показанным на рис.14 и рис.15 и вдвое больше, чем в эксперименте по п.7 (рис.13).

Таблица 2

Результаты экспериментов со схемой дифференциатора

№ пункта эксперимента

F_ВХ (кГц)

C₁ (нФ)

R₂ (кОм)

V_{U ВХ} (В/мс)

U_ВЫХ (В)

7

1

50

5

4

-1

8

2

50

5

8

-2

9

1

50

10

4

-2

10

1

100

5

4

-2

Рис. 16. Осциллограммы работы схемы дифференциатора (рис. 12) с номиналами элементов, указанными на схеме, кроме R2=10кОм (входная частота 1 кГц)

1 В/дел

0,1 мс/дел

U_ВХ

U_ВЫХ

∆U_ВХ

∆t _{U ВХ} 

Выводы

В результате проделанной работы с использованием средств моделирования программного комплекса "Electronics Workbench" ознакомлены с применением ОУ для сложения двух постоянных, двух переменных, постоянного и переменного напряжений, дифференцирования и интегрирования входных сигналов. Экспериментальные данные, полученные в работе, подтверждены аналитическими расчетами.