Исследование усилителя переменного тока на ОУ

Дата: 2025-06-14; Просмотры: 1

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Цель:

Овладение практическими навыками исследования характеристик схем переменного тока на операционных усилителях с использованием средств САПР Electronics Workbench.

Результат обучения:

После успешного завершения занятия пользователь должен:

· Уметь создавать и редактировать простейшие схемы исследования характеристик инвертирующих усилителей с использованием средств САПР Electronics Workbench;

· Проводить анализ схем переменного тока на ОУ средствами САПР.

Используемые программы:

Electronics Workbench в. 5.0

I . Исследование усилителя переменного тока на ОУ.

1.1. Общие теоретические сведения

Операционные усилители широко применяются для построения инвертирующих усилителей. Усилитель переменного тока работает в режиме малого сигнала и обычно охватывается фильтром в цепи отрицательной обратной связи. Схема усилителя переменного тока приведена на рис. 1.

Рис. 1. Усилитель переменного тока.

На вход усилителя подается синусоидальное входное напряжение Uo(t), которое через резистор R1 поступает на инвертирующий вход ОУ. В цепь обратной связи включен конденсатор С2. На низких частотах входного сигнала комплексное сопротивление цепи отрицательной обратной связи велико, поэтому коэффициент усиления схемы также большой. По мере повышения частоты входного сигнала комплексное сопротивление цепи обратной связи уменьшается, в результате уменьшается и коэффициент усиления. Соответственно при уменьшении частоты входного сигнала коэффициент усиления увеличивается, как следствие увеличивается амплитуда выходного сигнала. Так как величина выходного напряжения усилителя ограничена, то на низких частотах форма выходного напряжения может искажаться. Усилитель начинает работать в режиме ограничения сигнала. Емкость С1 на рис. 1 предназначена для фильтрации высокочастотных помех на входе схемы.

Активный фильтр представляет собой четырехполюсник, содержащий пассивные RC-цепи и пассивные элементы: транзисторы, электронные лампы или операционные усилители. В отличие от пассивных, активные фильтры обеспечивают более качественные характеристики.

Активные фильтры можно разделить по группам по различным признакам: назначению, полосе пропускания частот, типу усилительных элементов, виду образуемых связей и др. По полосе пропускаемых частот фильтры делятся на четыре основные группы: нижних частот, верхних частот, полосовые и заграждающие.

Фильтры нижних частот пропускают сигналы от постоянного напряжения до некоторой предельной частоты, называемой частотой среза фильтра. Фильтры верхних частот, наоборот, пропускают сигналы, начиная с частоты среза и выше. Полосовые фильтры пропускают сигналы в некоторой полосе частот от f1 до f2, а заграждающие фильтры, наоборот, не пропускают определенный спектр частот. Как полосовые, так и заграждающие фильтры могут иметь гребенчатую частотную характеристику, в которой будет несколько полос пропускания и затухания.

По назначению фильтры делятся на сглаживающие, заграждающие фильтры, фильтры для усилителей низкой или высокой частоты и др.

По типу усилительных элементов можно выделить транзисторные фильтры, фильтр на ОУ и т.д. Все рассмотренные фильтры могут иметь одну или несколько обратных связей. В связи с этим различают фильтры с одноконтурной и многоконтурной обратной связью. Кроме того, различают фильтры по количеству полюсов на частотной характеристике – фильтры первого порядка, второго и более высоких порядков. Фильтры высоких порядков имеют более крутые границы полос пропускания и затухания и более плоскую характеристику в области полосы пропускания. К таким фильтрам относятся фильтры Чебышева, Баттерворда, Бесселя и др.

Активный фильтр нижних частот первого порядка и его АЧХ приведены на рис. 2 а.

Модуль передаточной функции по напряжению на синусоидальном сигнале равен:

,

где - коэффициент передачи фильтра на постоянном напряжении;

- частота среза фильтра.

Фильтр верхних частот первого порядка (рис. 2 б) предназначен для выделения сигналов, частота которых выше некоторой заданной частоты, называемой частотой среза фильтра.

Коэффициент передачи фильтра определяется по формуле

,

где - коэффициент передачи фильтра при ;

- частота среза фильтра.

Полосовой фильтр предназначен для выделения сигналов, частота которых лежит в пределах полосы .

Полосовые фильтры бывают двухполюсные (второго порядка) многополюсные.

Рис. 2. Схема и его АЧХ для активного фильтра нижних частот (а), верхних частот (б), полосового фильтра (в) и заграждающего фильтра (г)

Передаточная характеристика фильтра второго порядка определяется выражением

,

где резонансная частота фильтра, - добротность фильтра.

Схема и АЧХ загружающего фильтра приведена на рис. 2г. На частоте усиление , а на постоянном напряжении ( ) получаем

.

1.2. Исследование усилителя переменного тока на ОУ средствами САПР

Исходные данные:

· ОУ Lm741 .

Задача исследования:

· Получить осциллограмму входного и выходного сигналов усилителя, определить по осциллограмме величину коэффициента усиления как отношение амплитуды выходного напряжения к входному.

· Исследовать режим ограничения сигнала.

· Получить амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики усилителя переменного тока.

Схема исследования усилителя переменного тока на ОУ, представлена на рис. 3.

Рис. 3

В схеме исследования усилителя для моделирования источника синусоидальных сигналов используется функциональный генератор. Получение осциллограмм сигналов производится с помощью осциллографа, а расчет амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик цепи производится с помощью измерителя АЧХ и ФЧХ (Боде – Плоттер).

Построение схемы исследования усилителя

Запустите при помощи ярлыка на рабочем столе Windows программу Electronics Workbench.

1. Последовательно вытащите пиктограммы элементов схемы, в том числе клеммы Uo и U1, и измерительных приборов (располагая их, так как показано на рис. 3), задайте параметры элементов схемы.

Примечание: Модель ОУ LM 741 находится в библиотеке ОУ lm .

2. Присвойте элементам во входной и обратной связи метки R1, R2, С1, С2, Uo и U1. С этой целью последовательно откройте диалоговые окна для задания их параметров и перейдите на вкладку Label. В поле Label введите соответствующее обозначение элементов.

3. Соедините элементы согласно рис. 3. Осциллограф, Боде – Плоттер подключайте в последнюю очередь.

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. 4. Закройте изображение лицевой панели.

Рис. 4

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. Щелкнув по кнопке , выберите режим наблюдения только сигналов переменного тока. Щелкая по кнопкам счетчика установки чувствительности Channel A и Channel B, установите чувствительность по каналам согласно рис. 5.

Рис. 5

7. Сохраните файл в папке с вашей Фамилией под именем Zan_16_01 .

8. Запустите (на вход усилителя поступит синусоидальный входной сигнал амплитудой 1В и частотой 1 кГц) и приблизительно через 10 сек остановите процесс моделирования. Нажмите на кнопку Expand панели осциллографа, чтобы увеличить масштаб изображения.

9. Измерьте на экране осциллографа амплитуды входного и выходного синусоидальных напряжений (синее - входное напряжение Uo(t), красное – выходное напряжение U1(t)). 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).

По результатам измерений определите экспериментальную величину коэффициента усиления на частоте 1 кГц как отношение амплитуды выходного напряжения к входному и занесите его в Отчет.

Анализ режима ограничения сигнала в усилителе.

1. Установите частоту входного напряжения - 50 Гц. Для этого сверните изображение осциллографа, откройте лицевую панель функционального генератора, установите частоту 50 Гц.

2. Откройте изображение осциллографа. Включите процесс моделирования при помощи выключателя в правом верхнем углу экрана. Настройте осциллограф, для чего установите в окне счетчика TIME BASE масштаб развертки по горизонтали равным– 0.01 s/div, а чувствительность по каналу Channel B - 20 V / Div. Перерисуйте осциллограммы в Отчет.

Получение амплитудно-частотной характеристики усилителя

3. Закройте изображение осциллографа и откройте изображение Боде – Плоттера, щелкнув два раза мышкой по его пиктограмме. Переведите Боде – Плоттер в режим построения АЧХ, кнопка Magnitude должна быть утоплена. Произведите настройки Боде – Плоттера согласно рис. 6:

Рис. 6

· Масштаб отношения амплитуд по вертикали – от 50 до 0,

· Диапазон частот – 0т 10 кГц до 50 Гц,

· Масштаб по вертикали логарифмический, по горизонтали – линейный.

4. Включите процесс моделирования при помощи выключателя в правом верхнем углу экрана. Посмотрите АЧХ на экране Боде – Плоттера.

При помощи стрелок на панели Боде – Плоттера перемещайте визирную линию на экране и наблюдайте в соседних окнах величину коэффициента усиления по напряжению K_U в зависимости от частоты сигнала. Снимите показания на двух частотах: 1 кГц и 50 Гц, занесите их в отчет.

Получение фазочастотной характеристики усилителя

5. Переведите Боде – Плоттер в режим отображения ФЧХ, нажав кнопку Phase.

Настройте Боде – Плоттер согласно рис. 7:

Рис. 7

· Границы изменения фазы по вертикали – от 0˚ до + 225˚.

6. Просмотрите ФЧХ на экране Боде – Плоттера.

При помощи стрелок на панели Боде – Плоттера перемещайте визирную линию на экране и наблюдайте в соседних окнах величину сдвига фазы между входным и выходным напряжениями в зависимости от частоты сигнала. Снимите показания на двух частотах: 1 кГц и 50 Гц, занесите их в отчет. Покажите преподавателю полученные зависимости.

II . Самостоятельная работа. Исследование схемы на ОУ.

Схема исследования, представлена на рис. 8

Рис. 8

Исходные данные:

· ОУ LM 741.

· C1=0.01 F

№ Варианта	1	2	3	4	5	6
R1	5 КоМ	4 КоМ	2 КоМ	8 КоМ	6 КоМ	10 КоМ
R2	20 КоМ	8 КоМ	10 КоМ	30 КоМ	40 КоМ	30 КоМ
C2	0.02 F	0.01 F	0.01 F	0.01 F	0.02 F	0.02 F

Задание:

· Получить осциллограммы входного и выходного напряжения схемы, представленной на рис. 6, при подаче на вход гармонического напряжения с частотой 1 кГц и амплитудой 1 В.

· Получить амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики усилителя переменного тока.

· Определить частоту входного напряжения, на которой коэффициент усиления по напряжению равен 1.

· Определить частоту входного напряжения, на которой сдвиг фаз между выходным и входным напряжением минимален в диапазоне частот от 0 до 10 кГц.

Результаты занесите в отчет и покажите преподавателю.

Контрольные вопросы

1. Что такое активный фильтр? Какие они бывают?

2. Каким образом работает схема усилителя переменного тока на ОУ рис. 3.

3. Чем объясняется такое поведение получившихся амплитудно-частотной и фаза - частотной зависимостей.

Литература

1. Лаврентьев Б.Ф. Схемотехника электронных средств. Уч. пособие, Йошкар-Ола: МарГТУ, 2005. – 336 с.

2. Лаврентьев Б.Ф. Аналоговая и цифровая электроника. Уч. пособие, Йошкар-Ола: МарГТУ, 2001. – 252 с.

3. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. Учебник для вузов. Под ред. О.П. Глудкина. - М.: Горячая линия – Телеком, 2003. – 768 с.