Файл: Федеральное агентство по рыболовству Федеральное государственное бюджетное образовательное.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.11.2023
Просмотров: 65
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Федеральное агентство по рыболовству
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Астраханский государственный технический университет»
Система менеджмента качества в области образования, воспитания, науки и инноваций сертифицирована DQS
по международному стандарту ISO 9001:2015
ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И КОММУНИКАЦИЙ
Направление подготовки 11.03.02 ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ СВЯЗИ
Профиль Системы мобильной связи/Сети связи и системы коммутации
Кафедра: Связь
Дисциплина: Схемотехника телекоммуникационных устройств
Лабораторная работа №3
Исследование интегратора и дифференциатора на основе
операционного усилителя
Вариант 8
| | Работа выполнена: студентом группы ЗИССБ-41 Одногулов И.А. (Фамилия И.О.) |
| | Научный руководитель работы: доц. к.т.н. Мальцева Н.С. __________________Мальцева Н.С. |
Астрахань 2023
Цель работы: исследовать свойства и характеристики схем интегратора и дифференциатора на основе операционного усилителя (ОУ).
Содержание отчета:
1) Принципиальные схемы интегратора и дифференциатора на ОУ.
2) Полученные в ходе работы амплитудно-частотные и переходные характеристики схем.
3) Выводы по проделанной работе.
Интегратором называется устройство, выходное напряжение которого пропорционально площади под кривой входного сигнала. Схема лабораторной установки для исследования интегратора приведена на рисунке 14.
Схема содержит входной резистор R1 и конденсатор С1, включенный в цепь обратной связи ОУ (А1).
Учитывая большой собственный коэффициент усиления ОУ и глубокую отрицательную обратную связь, дифференциальное напряжение между инвертирующим и неинвертирующем входами (Uд = Uвых / К) близко к нулю. Таким образом, напряжение на инвертирующем входе близко к напряжению нулевого потенциала, то есть является “виртуальной землей”. В результате входной ток определяется только входным напряжением и резистором R1. Вследствие большого входного сопротивления ОУ практически весь входной ток протекает через конденсатор С1, заряжая его. При этом реализуется операция интегрирования.
Таким образом, для идеального интегратора
При этом
Получим:
где Т – интервал интегрирования. Величина T1 = R1× C1 называется постоянной времени интегратора, определяющей скорость заряда емкости.
В реальном интеграторе при интегрировании сигналов низких частот (в том числе сигналов постоянного тока) возникают ошибки интегрирования, связанные с зарядом емкости входными токами ОУ. В этом случае, даже при отсутствии входного сигнала конденсатор может медленно заряжаться (в пределе до напряжения питания). Чтобы уменьшить ошибки интегрирования, параллельно конденсатору подключают электронный ключ для периодического разряда емкости.
При интегрировании сигналов переменного тока параллельно конденсатору С1 подключается резистор обратной связи R2, как показано на рис. 11, выполняющий следующие функции:
- ограничение коэффициента усиления на низких частотах;
- устранение ошибки интегрирования, связанной с зарядом емкости С1 входными токами ОУ;
- уменьшение влияния напряжения смещения ОУ.
Таким образом, на низких частотах (f < fраб) схема интегратора с резистором R2 работает как инвертирующий усилитель с постоянным коэффициентом усиления. На частотах f > fраб схема выполняет функции интегратора, при этом АЧХ имеет наклон -20 дБ/дек (коэффициент передачи уменьшается на 20 дБ при каждом десятикратном изменении частоты).
Резистор R3 выступает в качестве нагрузки.
Дифференциатор – это устройство, выходное напряжение которого пропорционально скорости изменения сигнала на входе. Схема лабораторной установки для исследования дифференциатора приведена на рисунке 14.
Дифференциатор состоит из резистора R1, конденсатора С1 и ОУ (А1). Изменения входного напряжения вызывают протекание тока через конденсатор С1. За счет большого внутреннего коэффициента усиления ОУ и глубокой обратной связи, его инвертирующий вход, как отмечалось выше, оказывается виртуальной землей, поэтому выходное напряжение ОУ оказывается пропорциональным скорости изменения входного напряжения.
Таким образом, для идеального дифференциатора
При этом
Подставляя (25) в (24) и выражая Uвых, получим выражение для выходного напряжения во временной области.
АЧХ идеального дифференциатора имеет положительный наклон +20 дБ/дек. С учетом элементов коррекции реальный дифференциатор будет выполнять свои функции на частотах f < fраб. На более высоких частотах сопротивление емкости С1 будет много меньше R2 и схема будет работать как обычный инвертирующий усилитель.
Ход работы.
1)С помощью Боде-плоттера снять амплитудно-частотные характеристики схемы интегратора при значениях сопротивления R2 10 кОм и 100 кОм. Определить fраб для обоих случаев. Для схемы интегратора рабочей считается частота, на которой коэффициент передачи уменьшается на 3 дБ по сравнению со значением на низких частотах.
Собрать схему интегратора:
Рис 1
Рис 2Амплитудно-частотная характеристика схемы при R=10 кОм
=16 Гц
Рис 3 Амплитудно-частотная характеристика схемы при R=100 кОм
=0-1.6 Гц2) С помощью осциллографа исследовать переходные характеристики схемы интегратора при значениях сопротивления R2 10 кОм и 100 кОм. Для этого необходимо подать на вход схемы прямоугольные импульсы с частотой 50 Гц и амплитудой 20 мВ. Зарисовать осциллограмму выходного напряжения для обоих случаев. Объяснить отличие формы сигнала от линейной при малом значении R2
Рис 4 Осциллограмма выходного напряжения при R2 =10 кОм
Рис 5 Осциллограмма выходного напряжения при R2 =100 кОм
Собрать схему дифференциатора
Исследуемая схема дифференциатора рис 6
3) С помощью Боде-плоттера снять амплитудно-частотные характеристики схемы дифференциатора. Определить fраб для случаев, когда ключ S1 замкнут и разомкнут. Для схемы дифференциатора рабочей считается частота, на которой коэффициент передачи уменьшается на 3 дБ по сравнению со значением на высоких частотах.
Рис 7 АЧХ дифференциатора при разомкнутом ключе S1
=807-16756 Гц
Рис8 АЧХ дифференциатора при замкнутом ключе
=19265 Гц4) С помощью осциллографа исследовать переходные характеристики схемы дифференциатора. Для этого необходимо подать на вход схемы прямоугольные импульсы с частотой 50 Гц и амплитудой 20 мВ. Зарисовать осциллограммы выходного напряжения при замкнутом и разомкнутом ключе S1. Объяснить колебательный характер переходной характеристики в схеме без коррекции.
Рис 9 Осциллограмма выходного напряжения при замкнутом ключе
Рис 10 Осциллограмма выходного напряжения при разомкнутом ключе
Вывод: в ходе проделанной лабораторной работы были исследованы интегратор и дифференциатор.
Исследование интегратора проводилось методом изменения значения корректирующих элементов (R2). С увеличением значения сопротивления R2 АЧХ интегратора увеличилось прямо пропорционально.
Исследование дифференциатора проводилось методом исключения из схемы корректирующих элементов (R2). Схема без корректирующего элемента работала не устойчиво-наблюдается колебательный характер сигнала, так же наблюдалась сдвиг фазы на 90 град. (рис 9). Узкий диапазон рабочей частоты(наблюдался пиковый режим на одной частоте) (рис 8).
В идеальном случае ОУ должен иметь бесконечный коэффициент усиления по напряжению, бесконечно большое входное и бесконечно малое выходное сопротивления, бесконечно большую амплитуду выходного сигнала, бесконечно большой диапазон усиливаемых частот. Параметры ОУ не должны зависеть от внешних факторов, напряжения питания и температуры. При соблюдении этих условий передаточная характеристика ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС) точно соответствует передаточной характеристике цепи ООС и не зависит от параметров самого усилителя. Именно на этом постулате основывается все бесконечное разнообразие схемных решений по применению ОУ.
Реальные ОУ, естественно, имеют характеристики отличные от идеальных. Поскольку схемотехнически и технологически спроектировать ОУ с хорошим приближением к идеальным всех параметров одновременно невозможно, проектировщики вынуждены идти на компромисс, отдавая предпочтение в каждом конкретном случае только одному - двум ключевым параметрам. Отсюда возникает довольно четкая классификация выпускаемых ОУ. В зависимости от поставленной задачи, оптимизированы могут быть следующие параметры:
.
