Файл: Методические указания по изучению дисцип лины. Томск Факультет дистанционного обучения, тусур, 2012. 86 с. Представлены рекомендации по самостоятельному изучению теоре тического материала, выполнению контрольных и лабораторных работ.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 30.11.2023
Просмотров: 108
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
61
Рис. 3.8 — Виртуальный макет синтезированного счетчика
61
62
Экспериментальная проверка функционирования счетчика.
Для выполнения моделирования в инспекторе объектов рекомен- дуется установить следующие параметры (рис. 3.9).
Рис. 3.9 — Параметры моделирования счетчика
Осциллограмма сигнала с выхода ЦАП представлена на рис.
3.10. Осциллограмма подтверждает, что счетчик работает цикличе- ски с коэффициентом пересчета
9
сч
=
k
, а последовательность сме- ны состояний счетчика 0 — 6 — 4 — 14 — 2 — 5 — 3 — 7 — 8.
Содержание отчета. Отчет оформляется в формате
MS
Word
и должен отражать последовательность проектирования, схему виртуального макета, осциллограмму выходного напряже- ния ЦАП, вставленные из виртуальной среды
ASIMEC
, и выводы по работе.
63
Рис. 3.10 — Осциллограмма сигнала с выхода ЦАП
63
64
1 2 3 4 5 6 7
3.2
Лабораторная
работа
№
2.
Усилители
и
преобразователи
сигналов
на
операционных
усилителях
Цель лабораторной работы — экспериментальное исследо- вание аналоговых микроэлектронных устройств, выполненных на операционных усилителях.
Задание.
1. Спроектировать инвертирующий усилитель постоянного тока с коэффициентом усиления
12
=
U
k
. Выполнить эксперимен- тальную проверку функционирования.
2. Спроектировать неинвертирующий усилитель постоянно- го тока с коэффициентом усиления
11
=
U
k
. Выполнить экспери- ментальную проверку функционирования.
3. Определить параметры частотной характеристики актив- ного полосового RC-фильтра. Сравнить результаты эксперимен- тальных исследований с расчетными параметрами.
Проектирование инвертирующего усилителя постоянного
тока на операционном усилителе с заданным коэффициентом
усиления.
Инвертирующий усилитель постоянного тока можно реали- зовать на основе инвертирующего включения операционного усилителя (рис. 3.11), используя в качестве элементов с опера- торными сопротивлениями
1
Z
и
2
Z
резисторы
1
R
и
2
R
соответст- венно. Тогда коэффициент усиления усилителя определяется вы- ражением
1 2
R
R
k
U
−
=
вых
U
1
Z
2
Z
вх
U
Рис. 3.11 — Инвертирующий усилитель постоянного тока на основе инвертирующего включения операционного усилителя
65
Резисторы, используемые в схемах с операционными усили- телями, имеют типичное сопротивление порядка кОм. Использо- вание резисторов с сопротивлениями менее 1 кОм нежелательно, так как они могут вызвать чрезмерный ток, перегружающий вы- ход операционного усилителя. Резисторы с сопротивлениями бо- лее 1 МОм могут внести повышенный тепловой шум и сделать схему чувствительной к случайным ошибкам вследствие токов смещения.
Зададим сопротивление
10 1
=
R
кОм. Тогда
120 10 12 1
2
=
⋅
=
=
R
k
R
U
(кОм).
С целью проверки функционирования подадим на вход уси- лителя сигнал синусоидальной формы. Для обеспечения работы операционного усилителя в линейном режиме амплитуда сину- соидального напряжения должна быть ограничена величиной
U
k
U
U
нас вх.max
=
, где нас
U
— напряжение насыщения операционного усилителя. Модель идеального операционного усилителя в сис- теме ASIMEC имеет значение параметра
15
нас
=
U
В, поэтому
25 1
12 15
вх.max
,
=
=
U
В. Зададим величину амплитуды входного сиг- нала
0 1
вх
,
,
=
m
U
В. Для контроля выходного напряжения подклю- чим осциллограф к выходу усилителя.
Виртуальный макет инвертирующего усилителя постоянно- го тока представлен на рис. 3.12.
Рис. 3.12 — Виртуальный макет инвертирующего усилителя постоянного тока
66
Экспериментальная проверка функционирования усилителя.
Для выполнения моделирования в инспекторе объектов устано- вим следующие параметры (рис. 3.13).
Рис. 3.13 — Параметры моделирования инвертирующего усилителя постоянного тока
Осциллограммы входного и выходного напряжений инвер- тирующего усилителя представлены на рис. 3.14.
Рис. 3.14 — Осциллограммы входного и выходного напряжений инвертирующего усилителя постоянного тока
67
Временные диаграммы показывают: усилитель инвертирует входное напряжение; амплитуда входного напряжения
0 1
вх
,
,
=
m
U
В, амплитуда выходного напряжения
0 12
вых
,
,
=
m
U
В, то есть
12 1
12 =
=
U
k
Проектирование неинвертирующего усилителя постоянно-
го тока на операционном усилителе с заданным коэффициентом
усиления.
Неинвертирующий усилитель постоянного тока можно реа- лизовать на основе неинвертирующего включения операционного усилителя (рис. 3.15), используя в качестве элементов с опера- торными сопротивлениями
1
Z
и
2
Z
резисторы
1
R
и
2
R
соответст- венно. Тогда коэффициент усиления усилителя определяется вы- ражением
1 2
1
R
R
k
U
+
=
вых
U
1
Z
2
Z
вх
U
Рис. 3.15 — Неинвертирующий усилитель постоянного тока на основе неинвертирующего включения операционного усилителя
Зададим сопротивление
10 1
=
R
кОм. Тогда
100 10 1)
-
(11
)
1
(
1 2
=
⋅
=
−
=
R
k
R
U
(кОм).
С целью проверки функционирования подадим на вход уси- лителя сигнал синусоидальной формы. Для обеспечения работы операционного усилителя в линейном режиме амплитуду входно- го сигнала установим равной величине
0 1
вх
,
,
=
m
U
В. Для контро- ля выходного напряжения подключим осциллограф к выходу усилителя.
Виртуальный макет неинвертирующего усилителя постоян- ного тока представлен на рис. 3.16.
68
Рис. 3.16 — Виртуальный макет неинвертирующего усилителя постоянного тока
Экспериментальная проверка функционирования усилителя.
Для выполнения моделирования в инспекторе объектов устано- вим следующие параметры (рис. 3.17).
Рис. 3.17 — Параметры моделирования неинвертирующего усилителя постоянного тока
69
Осциллограммы входного и выходного напряжений неин- вертирующего усилителя представлены на рис. 3.18.
Рис. 3.18 — Осциллограммы входного и выходного напряжений неинвертирующего усилителя постоянного тока
Временные диаграммы показывают: усилитель не инверти- рует входное напряжение; амплитуда входного напряжения
0 1
вх
,
,
=
m
U
В, амплитуда выходного напряжения
0 11
вых
,
,
=
m
U
В, то есть
11 1
11 =
=
U
k
Исследование активного полосового RC-фильтра
Активный полосовой фильтр можно реализовать на основе операционного усилителя по схеме, представленной на рис. 3.19.
70
DA
2
R
вх
U
вых
U
1
R
3
R
1
С
2
С
Рис. 3.19 — Активный полосовой фильтр на основе операционного усилителя
Основными параметрами фильтра являются параметры ам- плитудно-частотной характеристики
( )
ω
U
A
коэффициента пере- дачи по напряжению: резонансная частота, значение коэффици- ента усиления на резонансной частоте, верхняя и нижняя частоты полосы пропускания, добротность.
Амплитудно-частотная характеристика выражается через операторное изображение
( )
p
k
U
коэффициента передачи по на- пряжению:
( )
( )
ω
=
=
ω
j
p
U
U
p
k
A
Для определения операторного изображения
( )
p
k
U
сформи- руем операторную схему замещения фильтра (рис. 3.20), в кото- рой пассивные компоненты представлены операторными прово- димостями:
1 1
1
R
Y
=
,
2 2
1
R
Y
=
,
3 3
1
R
Y
=
,
1 4
pC
Y
=
,
2 5
pC
Y
=
71
DA
вых
U
3
Y
4
Y
5
Y
2
Y
вх
U
1
Y
1
U
0 2
=
U
1
I
2
I
3
I
4
I
5
I
1 2
Рис
. 3.20 —
Операторная схема замещения активного полосового фильтра
В предположении, что операционный усилитель является идеальным, операторной схеме замещения соответствует система уравнений, составленная методом узловых потенциалов:
(
)
(
)
⎭
⎬
⎫
=
−
+
+
−
=
−
−
−
+
+
+
,
,
0 0
3 2
5 4
1 4
1 5
2 4
1 5
4 2
1
вых
вх
вых
U
Y
U
Y
Y
U
Y
U
Y
U
Y
U
Y
U
Y
Y
Y
Y
причем
0 2
=
U
. Тогда система уравнений приобретает вид:
(
)
⎭
⎬
⎫
=
−
−
=
−
−
+
+
+
.
;
0 0
3 1
4 1
5 1
5 4
2 1
вых
вх
вых
U
Y
U
Y
U
Y
U
Y
U
Y
Y
Y
Y
Из системы уравнений следует:
(
)
вх
вых
U
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
U
5 4
5 4
2 1
3 4
1
+
+
+
+
−
=
, откуда операторное изображение коэффициента передачи напря- жения:
( )
(
)
5 4
5 4
2 1
3 4
1
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
U
U
p
k
вх
вых
U
+
+
+
+
−
=
=
Используя выражения для операторных проводимостей пас- сивных компонентов, найдем:
( )
(
)
(
)
.
2 1
2 1
2 1
2 3
2 1
2 1
3 2
1
R
R
p
R
R
C
C
p
R
R
R
C
C
p
R
R
C
p
k
U
+
+
+
+
−
=
Приведем операторное изображение коэффициента переда- чи напряжения к канонической форме
72
( )
1 0
2 0
2
+
ω
+
ω
=
Q
p
p
p
k
p
k
U
, где
Q
— добротность, а
0
ω
— резонансная круговая частота по- лосового фильтра:
(
)
.
)
(
1 2
1 2
1 2
1 2
3 2
1 2
1 2
1 2
1 3
2 1
+
+
+
+
+
⋅
+
−
=
p
R
R
R
R
C
C
p
R
R
R
R
R
C
C
p
R
R
R
R
C
p
k
U
Из последнего выражения следует, что резонансная круго- вая частота, добротность и коэффициент усиления на резонанс- ной частоте выражаются соотношениями:
(
)
3 2
1 2
1 0
1
R
R
R
С
С
=
ω
,
(
)
(
)
2 1
2 2
1 3
2 1
R
R
C
C
R
C
C
Q
+
=
,
( )
2 1
1 1
3 0
0
C
C
C
R
R
Q
k
A
U
+
⋅
=
ω
=
ω
, где
2 1
2 1
2 1
R
R
R
R
R
R
+
=
Зададим значения параметров пассивных компонентов:
10 1
=
R
кОм,
10 2
=
R
кОм,
100 3
=
R
кОм,
100 1
=
C
нФ,
100 2
=
C
нФ.
Расчетные параметры амплитудно-частотной характеристи- ки коэффициента передачи напряжения составляют:
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
=
ω
−
−
с рад
21 447 10 100 10 5
10 100 10 100 1
3 3
9 9
0
,
,
(
)
24 2
10 5
10 100 10 100 10 100 10 100 10 100 3
2 9
9 3
9 9
,
=
⋅
⋅
⋅
+
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
=
−
−
−
−
Q
,
( )
5 10 100 10 100 10 100 10 10 10 100 9
9 9
3 3
0
=
⋅
+
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
=
ω
−
−
−
U
A
Виртуальный макет полосового фильтра представлен на рис.
3.21.
73
Рис. 3.21 — Виртуальный макет активного полосового фильтра
Экспериментальное определение параметров амплитудно-
частотной характеристики полосового фильтра. Для выполне- ния моделирования в инспекторе объектов установим следующие параметры (рис. 3.22).
Рис. 3.22 — Параметры моделирования активного полосового фильтра
Частотные характеристики коэффициента передачи напря- жения полосового фильтра представлены на рис. 3.23.
74
Рис. 3.23 — Частотные характеристики активного полосового фильтра
Участок амплитудно-частотной характеристики в окрестно- сти резонансной частоты представлен на рис. 3.24.
Рис. 3.24 — Участок амплитудно-частотной характеристики в окрестности резонансной частоты
Из амплитудно-частотной характеристики следует, что кру- говая резонансная частота равна
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=
⋅
=
π
=
ω
с рад
4 443 6
70 28 6
2 0
0
,
,
,
f
, а коэффициент усиления на резонансной частоте
( )
( )
[ ]
98 4
10 10 20 95 13 20
дБ
0 0
,
,
=
=
=
ω
ω
U
A
U
A