Дифференцирующая схема

Дифференцирующая схема на основе ОУ напоминает интегратор, у которого изменены места подключения резистора и конденсатора (рисунок 3.8). Для идеального ОУ легко получить передаточную функцию дифференцирующего устройства.

Рисунок 3.8 - Принципиальная схема дифференцирующего устройства на ОУ

Если на вход схемы подано напряжение U_BX, оно практически полностью приложено к конденсатору, так как схема ОУ устроена таким образом, что потенциа­лы прямого и инвертирующего входов дифференциального усилителя совпада­ют. В результате через конденсатор протекает ток, равный:

(3.28)

Так как входное сопротивление ОУ достаточно велико и входной ток ОУ можно считать равным нулю, весь ток конденсатора протекает через резистор R_OC:

(3.29)

Выходной сигнал определяется падением напряжения на сопротивление обратной связи :

. (3.30)

Таким образом, выходное напряжение пропорционально скорости изменения входного сигнала.

Описание лабораторного стенда

В состав лабораторного стенда входит лабораторный стенд на базе компьютера с программой Electronics Workbench.

Рабочее задание

Запустите программу Electronics Workbench.

Задание 1. Получение переходной характеристики инвертирующего усилителя

Для исследования характеристик инвертирующего усилителя соберите электрическую схему, изображенную на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 – Принципиальная электрическая схема для исследования, инвертирующего усилителя

1.1 Задайте значение источника напряжения V1=V2 в соответствии с вариантом. С помощью элементов управления Rr изменяйте входной сигнал.

1.2 Получить зависимость выходного напряжения от входного Uvix=f(Uvx).

1.3 Определите коэффициент усиления инвертирующего усилителя. Для этого на переходной характеристике с помощью визирных линий определите координаты двух произвольных точек на наклонном участке характеристики и произведите вычисления по формуле: . Результаты запишите в отчет.

Таблица 3.1 - Результаты

№	Rr Setting, %	Uvx, В	Ivx, А	Uvix, В	Ivix, А

Задание 2. Исследование работы инвертирующего усилителя

Рисунок 3.10 –Электрическая схема для исследования, инвертирующего усилителя

2.1 Собрать схему рисунке 3.10. С помощью элементов управления установите следующий режим измерения: форма сигнала – синусоидальная, частота сигнала – 200 Гц. Амплитуда входного сигнала выбирается такой величины, при которой выходной сигнал, наблюдаемый на графическом индикаторе, не имеет искажений и удобен для наблюдений и измерений. Скопируйте полученное изображение выходного сигнала в буфер обмена и затем вставьте на страницу отчета.

2.2 Используя изображение входного и выходного сигналов на графических индикаторах, определите амплитуды входного и выходного сигналов. С помощью полученных данных вычислите коэффициент усиления инвертирующего усилителя по формуле: .

Примечание. Для определения амплитуды сигнала необходимо замерить его максимальное и минимальное мгновенные значения и произвести вычисление по формуле:

.

Используя изображения на графических индикаторах, сравните фазы сигналов на входе и выходе инвертирующего усилителя. Сделайте вывод о характере изменения фазы сигнала инвертирующим усилителем и запишите в отчет.

2.3 Рассчитайте коэффициент усиления инвертирующего усилителя. Для расчетов воспользуйтесь соотношением . Результаты запишите в отчет. Сравните значения коэффициентов усиления, полученные по переходной характеристике (п. 1.3), на основе результатов измерений (п. 2.2) и расчетным путем (п. 2.3). Сделайте вывод и запишите в отчет.

Таблица 3.2

№	F, Гц	Uvx, В	Uvix, В	К

Задание 3. Исследование работы интегратора напряжения.

Для исследования работы интегратора напряжения соберите электрическую схему, изображенную на рисунке 3.11.

Рисунок 3.11 –Принципиальная электрическая схема для исследования, интегратора напряжений

3.1 С помощью элементов управления установите следующий режим измерения: форма сигнала – прямоугольная, частота сигнала 200 Гц. Амплитуда сигнала на входе интегратора выбирается такой величины, чтобы сигнал на выходе не имел видимых искажений и был удобен для наблюдения и измерений.

На графическом индикаторе появится выходной сигнал (результат интегрирования), имеющий форму, близкую к треугольной. Скопируйте полученное изображение выходного сигнала в буфер обмена и затем вставьте на страницу отчета.

3.2 Используя изображение выходного сигнала, полученное на графическом индикаторе определите и запишите в отчет скорость его изменения. Для этого измерьте максимальное , и минимальное мгновенные значения сигнала и вычислите значение размаха сигнала к полупериоду его изменения :

.

Рассчитайте и запишите в отчет скорость изменения выходного сигнала по значениям параметров компонентов схемы, используя формулу идеального интегратора:

.

Сравните значения скорости изменения сигнала на выходе интегратора, полученные на основе результатов измерений и расчетным путем. Сделайте вывод о степени идеальности интегратора.

3.3 Получите и вставьте в отчет осциллограммы выходного сигнала интегратора напряжения для синусоидальной, треугольной и пилообразной форм входного напряжения. Объясните полученные результаты.

При синусоидальной форме входного сигнала оцените разность фаз между входным и выходным сигналами интегратора. Объясните полученный результат.

Задание 4. Исследование работы дифференциатора напряжения

Для исследования работы дифференциатора напряжения, соберите схему, изображенную на рисунке 3.12.

Рисунок 3.12 –Принципиальная электрическая схема для исследования, дифференциатора напряжений

4.1 С помощью элементов управления установите следующий режим измерения: форма сигнала – треугольная, частота сигнала – 200 Гц. Амплитуда сигнала на входе интегратора выбирается такой величины, чтобы сигнал на выходе не имел видимых искажений и был удобен для наблюдения и измерений.

На графическом индикаторе появится выходной сигнал (результат дифференцирования), имеющий форму, близкую к прямоугольной.

Скопируйте полученное изображение выходного сигнала на страницу отчета.

4.2 Используя изображение выходного сигнала, полученное на графическом индикаторе, определите его амплитуду в области установившегося значения. Результат запишите в отчет.

4.3 Определите и запишите в отчет скорость изменения входного сигнала треугольной формы, используя для расчетов отношение удвоенной амплитуды входного сигнала к полупериоду изменения выходного напряжения:

.

4.4 По заданным параметрам схемы и найденному значению скорости изменения входного сигнала рассчитайте амплитуду выходного напряжения по формуле идеального дифференциатора:

.

4.5 Сравните результаты измерений (п. 4.2) и расчетов (п.4.4). Сделайте вывод о степени идеальности дифференциаторов напряжения.

4.6 Получите и вставьте в отчет изображения сигнала на выходе дифференциатора напряжения для синусоидальной, треугольной и пилообразной форм входного напряжения. Объясните полученные результаты.

4.7 При синусоидальной форме входного сигнала оцените разность фаз между входным и выходным сигналами дифференциатора. Объясните полученные результаты.

5. Контрольные вопросы

· Что такое операционный усилитель?

· Перечислите основные характеристики операционного усилителя и методы их измерения.

· Приведите схемы масштабных преобразователей на основе ОУ и выражения для расчета коэффициента передачи.

· Какова разность фаз между входным и выходным сигналами инвертирующего усилителя на ОУ? Почему?

· Чем определяется постоянная составляющая выходного напряжения усилителя на ОУ?

· Приведите схему сумматора аналоговых сигналов.

· Приведите схему интегратора напряжения и временные диаграммы сигналов на входе и выходе.

· Как рассчитать скорость изменения сигнала на выходе интегратора?

· Приведите схему дифференциатора напряжения и расчетные соотношения для выходного сигнала.

· Как зависит напряжение на выходе дифференциатора от скорости изменения входного напряжения?

· В каком случае для описания работы электрических схем на основе ОУ можно использовать соотношения, описывающего работу идеального ОУ?

· Насколько точно определены в работе параметры схем на основе операционного усилителя? От чего может зависеть качество полученных результатов?