Исследование инвертирующего усилителя средствами САПР
Исходные данные:
· ОУ LM 741.
Задача исследования:
· Определить экспериментальным путем постоянную составляющую выходного напряжения.
· Определить экспериментальным путем величину коэффициента усиления как отношение амплитуды выходного напряжения к входному и сравнить с вычисленной по формуле (2).
· Определить разность фаз в град между выходным и входным гармоническим сигналами.
Схема исследования инвертирующего усилителя, представлена на рис. 2.
Рис. 2
Коэффициент усиления каскада на ОУ (рис. 2) вычисляется по формуле:
K = - R2/R1; (1)
Построение схемы исследования инвертирующего усилителя
Запустите при помощи ярлыка на рабочем столе Windows программу Electronics Workbench.
1. Последовательно вытащите пиктограммы элементов схемы (располагая их, так как показано на рис. 2) и задайте их параметры.
2. Присвойте резисторам во входной и обратной связи метки R1 и R2. С этой целью последовательно откройте диалоговые окна для задания их параметров и перейдите на вкладку Label. В поле Label введите соответствующее обозначение резистора R1 или R2.
3. Соедините элементы согласно рис. 2. Заземление, осциллограф подключайте в последнюю очередь, подводя курсор от заземления (осциллографа) до проводника схемы.
4. Окрасьте соединительные проводники осциллографа: синим цветом - проводник подключенный ко входу ОУ; красным - к выходу ОУ. С этой целью двойным щелчком мышки на проводнике откройте диалоговое окно задания параметров, а затем щелкните по кнопке Set Wire Color. Щелчком мышки на кнопке требуемого цвета произведите выбор цвета и подтвердите его щелкнув по кнопке ОК.
5. Двойным щелчком кнопки мыши откройте лицевую панель функционального генератора, произведите установки параметров генератора согласно рис. 3. Закройте изображение лицевой панели.
Рис. 3
6. Откройте лицевую панель осциллографа. Выберите режим развертки Y / T, при котором на вертикальную ось будут подаваться напряжения входного и выходного сигнала, а по горизонтали – время. Щелкая по кнопкам счетчика установки чувствительности Channel A и Channel B, установите чувствительность по каналам согласно рис. 4.
Рис. 4
7. Сохраните файл в папке с вашей Фамилией под именем Zan_15_01 .
8. Запустите и приблизительно через 5 сек остановите процесс моделирования. Нажмите на кнопку Expand панели осциллографа, чтобы увеличить масштаб изображения.
9. Измерьте на экране осциллографа постоянную составляющую выходного напряжения:
a. щелкая по кнопке счетчика Y position
b. установите график выходного напряжения симметрично относительно оси абсцисс.
c. снимите показания в окне счетчика Y position и занесите их в отчет.
10. Измерьте на экране осциллографа амплитуды входного и выходного синусоидальных напряжений. Для этого установите красный (1) и синий (2) визиры, перемещая их при помощи мышки, в точках максимума входного и выходного напряжений и снимите показания
VA1 - напряжение в точке пересечения красного визира 1 и осциллограммы канала А (синего),
VB2 - напряжение в точке пересечения синего визира 2 и осциллограммы канала B (красного).
11. По результатам измерений определите экспериментальную величину коэффициента усиления как отношение амплитуды выходного напряжения к входному и занесите его в Отчет.
12. Измерьте на экране осциллографа разность фаз между синусоидами.
13. Занесите результаты измерений в Отчет.
1.2. Исследование интегратора на ОУ
Общие теоретические сведения
Интегратором называется устройство, выходной сигнал которого пропорционален интегралу по времени от входного сигнала. Простейшая (идеальная) схема интегратора приведена на рис. 5.
Рис. 5. Схема простейшего интегратора на ОУ.
В этой схеме в цепь обратной связи ОУ включен конденсатор, сопротивление которого велико для низкочастотных составляющих спектра выходного сигнала и мало для высокочастотных. В результате коэффициент усиления ОУ становится переменным для различных частот спектра сигнала. По первому закону Кирхгофа для инвертирующего входа ОУ можно записать
Uo/R1 = - C∙dU1/dt.
При записи этого соотношения предполагаем, что начальные условия – нулевые ( Uo = U1 = 0 при t = 0), а ОУ – идеальный (KU = ∞, Rвх = ∞ ).
Приведенную выше формулу можно записать так
Полученный результат справедлив только для идеального ОУ. Для реального интегратора эта формула является приближенной. Так, на точность работы реального интегратора влияют дрейфовые составляющие входного сигнала, которые необходимо скомпенсировать или ослабить. Для этого обычно параллельно конденсатору С в схеме на рис. 5 включают резистор R2 с большим сопротивлением (рис. 6). В результате применения отрицательной обратной связи по постоянному току обеспечивается стабилизация рабочей точки ОУ и предотвращается полный заряд конденсатора С. Для повышения точности работы интегратора необходимо использовать ОУ с малыми значениями Uсм, Iвх, и 
Iвх и ограничить максимальное время интегрирования.
Рис.6. Схема интегратора с дополнительным резистором в обратной связи.
Если на вход этой схемы подать скачок напряжения величиной Uo, то выходное напряжение U1 в ней изменяется в соответствии с выражением
Анализ этого выражения показывает, что на начальном участке переходного процесса (при малом времени интегрирования) характеристика интегратора близка к идеальной.
Исходные данные:
· ОУ LM 741.
· R1=100 КоМ
· R2=100 КоМ
· C=0,03 
F
Задача исследования:
· Получить осциллограммы переходного процесса интегратора при подаче на вход напряжения в виде последовательности прямоугольных импульсов.
Схема исследования интегратора на ОУ, представлена на рис. 7.
Рис. 7.Схема исследования интегратора на ОУ
Построение схемы исследования интегратора на ОУ
1. Создайте новый файл. Последовательно вытащите пиктограммы элементов схемы (располагая их, так как показано на рис. 7) и задайте их параметры.
2. Соедините элементы согласно рис. 7. Заземление, осциллограф подключайте в последнюю очередь, подводя курсор от заземления (осциллографа) до проводника схемы.
3. Окрасьте соединительные проводники осциллографа: синим цветом - проводник подключенный ко входу функционального генератора; красным - к выходу ОУ.
4. Двойным щелчком кнопки мыши откройте лицевую панель функционального генератора, произведите установки параметров генератора согласно рис. 8. Закройте изображение лицевой панели.
Рис. 8
4. Откройте лицевую панель осциллографа. Выберите режим развертки Y / T, при котором на вертикальную ось будут подаваться напряжения входного и выходного сигнала, а по горизонтали – время. Щелкая по кнопкам счетчика установки чувствительности Channel A и Channel B, установите чувствительность по каналам согласно рис. 9.
Рис. 9
5. Сохраните файл в папке с вашей Фамилией под именем Zan_15_02 .
6. Запустите и приблизительно через 5 сек остановите процесс моделирования. Нажмите на кнопку Expand панели осциллографа, чтобы увеличить масштаб изображения.
7. Зарисуйте осциллограммы входного и выходного напряжения в Отчете. Для этого переведите при помощи ползунка прокрутки на панели осциллографа изображение на начало переходного процесса, а затем – на конечный участок.
Так как интеграл от прямоугольного импульса – линейная функция, то выходное напряжение будет пилообразным. Это объясняется тем, что конденсатор в цепи обратной связи заряжается и разряжается при смене полярности входного напряжения. Наличие переходного процесса выходного сигнала является следствием роста коэффициента обратной связи вследствие увеличения напряжения обратной связи при заряде конденсатора с течением времени.