Применение операционных усилителей

3



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 UВХ1 = 5В и UВХ2 = 3В измерены: I1 =1мА; I2 =0,6мА; I3 =1,6мА; I4 =1,6мА; UВЫХ =-8В.

	В. По значениям номиналов схемы рассчитаны:

	

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

	Iос = UВЫХ/ R3 =1,6мА; Iос = I1+ I2 = 1,6мА;

	U*ВЫХ = - (UВХ1∙ R3/ R1 + UВХ2∙ R3/ R2) = - 8В.

	

	Измеренное значение UВЫХ 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 напряженийрис.6.3

	

	

	А. При UВХ≈ = 1В; UВЫХ≈ = 1В (фаза сдвинута на 1800); UВЫХ= = - 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

UВЫХ=

UВХ≈

UВЫХ≈

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

	Расчетные значения этих величин:

	

	U*ВЫХ≈ = UВХ1∙ R3/ R1 = 1В; U*ВЫХ= = - UВХ2∙ R3/ R2 = - 2В;

	

	

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

при входном напряжении генератора 1В



0,2 мс/дел

UВЫХ=

UВЫХ≈

0

1 В/дел

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

	

Рис. 5. Схема суммирования переменных напряжений

	

	При UВХ≈ = 1В; UВЫХ≈ = 4В (фаза сдвинута на 1800); UВЫХ= = - 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

UВЫХ≈

UВХ≈

	

	расчетные значения этих величин:

	U*ВЫХ≈ = UВХ∙ 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) VU 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

∆UВЫХ



∆t U ВЫХ 

0,1 мс/дел

	

	VU 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

∆UВЫХ



∆t U ВЫХ 

2 В/дел6. 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

∆UВЫХ



∆t U ВЫХ 

2 В/дел

	

	VU 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: VU 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

∆UВЫХ



∆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

UВХ (В) 

R1 (кОм) 

C1 (мкФ) 

VU ВЫХ (В/мс) 

UВЫХ 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 ОУА. Скорость изменения входного напряжения (по осциллограмме рис.13) VU ВХ = 4В/мс.

	В. UВЫХ = - R2∙C1∙ ∆ UВХ / ∆t = - R2∙C1∙VU 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

UВХ



UВЫХ



∆UВХ



∆t U ВХ 

	

	А. VU ВХ = 8В/мс.

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

	

	В. UВЫХ = - R2∙C1∙ ∆ UВХ / ∆t = - R2∙C1∙VU 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

UВХ



UВЫХ



∆UВХ



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

	

	

	В. UВЫХ = - 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) - VU 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

UВХ



UВЫХ



∆UВХ



∆t U ВХ В. UВЫХ = - R2∙C1∙ ∆ UВХ / ∆t = - R2∙C1∙VU 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

FВХ (кГц) 

C1 (нФ) 

R2 (кОм) 

VU ВХ (В/мс) 

UВЫХ (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

UВХ



UВЫХ



∆UВХ



∆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.