ИССЛЕДОВАНИЕ ОУ С НЕЛИНЕЙНЫМИ ОБРАТНЫМИ СВЯЗЯМИ

1. Цель работы

Исследование основных схем включения ОУ с нелинейными обратными связями (ограничителей напряжения, функциональных преобразователей, схем типа «идеальный диод»).

Рекомендуемая литература [1-6].

2. Общие сведения

Для некоторых интересных применений ОУ необходима нелинейная обрат­ная связь (ОС). При помощи схем с нелинейной ОС можно аппроксимировать передаточные характеристики, линеаризовать характеристики датчиков, ограни­чивать сигналы по амплитуде, осуществлять математические операции и выпол­нять множество других задач. В основе большинства схем лежит использование нелинейности вольт-амперной характеристики переходов в полупроводниковых приборах: диодах, кремниевых стабилитронах и транзисторах. В одних схемах используются характеристики полупроводниковых приборов в режиме переклю­чения большим сигналом, в других - собственно нелинейность полупроводнико­вого перехода.

Чаще всего встречаются схемы, в которых нелинейный элемент включен в цепь ОС операционного усилителя. Схема ограничителя выходного напряжения инвертирующего усилителя на ОУ приведена на рис. 5.1,а, а его передаточная характеристика - на рис. 5.1,6.

Уровни ограничения определяются напряжением пробоя стабилитрона. Пе­редаточная характеристика, показанная на рис. 5.1,6, действительна для случая «идеального» стабилитрона, т.е. сопротивление открытого стабилитрона равно нулю, закрытого — бесконечности, и точка перегиба не имеет скругления..

\\

Рис. 5.1. Ограничитель выходного напряжения (а) и его передаточная характеристика (б)

Угловой коэффициент (коэффициент усиления) усилителя при Ывых < до­определяется выражением:

Koc= -Roc/R1

Если Uвых > Uст-, то угловой коэффициент будет близок к нулю (в случае идеального стабилитрона равен нулю). При увеличении входного напряжения Uвх напряжение Uвых не увеличивается, а остается на уровне напряжения про­боя стабилитрона Uст-

В передаточную характеристику ограничителя, в схеме которого находится реальный стабилитрон, вносятся все отклонения вольт-амперной характеристики реального стабилитрона от его идеализированной (закругление точек перегиба, угловой коэффициент не равен нулю).

Существуют схемы, в которых влияние неидеальности вольт-амперной ха­рактеристики сведено к минимуму и практически почти не имеет значения. В та­ких схемах влияние нелинейности переходного участка полупроводникового пе­рехода и его чувствительности к температуре снижается за счет значительного усиления ОУ (при разомкнутой ОС) пропорционально коэффициенту усиления в контуре ОС.

Прецизионное ограничение по уровням, отличающимся от нуля, можно по­лучить в схеме, показанной на рис. 5.2. Оба уровня ограничения (положитель­ный и отрицательный) задаются диодной мостовой схемой.

Рис. 5.2. Прецизионный ограничитель

Поскольку диодный мост включен в контур обратной связи, влияние нели­нейности, температурной чувствительности и прямого сопротивления входящих в него элементов уменьшается пропорционально усилению в контур обратной связи. Поэтому изломы переходной характеристики ограничителя острые и поч­ти не зависят от параметров диодов. При помощи ОУ, у которого в контур об-

ратной связи включена соответствующая нелинейная цепь, можно осуществлять аппроксимацию нелинейных функций. Благодаря этому можно реализовать ши­рокий класс нелинейных функциональных преобразователей. Пример схемы преобразователя, иллюстрирующий изложенный принцип, показан на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Нелинейный функциональный преобразователь

Наклон графика зависимости выходного напряжения от входного определя­ется зависимостью:

Koc=Uвых/Uвх=-Roc/R1

Рис. 5.4. График зависимости выходного напряжения от входного

Поскольку диодный мост включен в контур обратной связи, влияние нели­нейности, температурной чувствительности и прямого сопротивления входящих в него элементов уменьшается пропорционально усилению в контур обратной связи. Поэтому изломы переходной характеристики ограничителя острые и почти не зависят от параметров диодов. При помощи ОУ, у которого в контур обратной связи включена соответствующая нелинейная цепь, можно осуществлять аппроксимацию нелинейных функций. Благодаря этому можно реализовать ши­рокий класс нелинейных функциональных преобразователей. Пример схемы преобразователя, иллюстрирующий изложенный принцип, показан на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Нелинейный функциональный преобразователь

Наклон графика зависимости выходного напряжения от входного определя­ется зависимостью

Рис. 5.4. График зависимости выходного напряжения от входного

при условии, что U_ВХ меньше напряжения пробоя стабилитрона VD1. На рис.5.4 представлена зависимость U_ВЫХ от U_ВХ при различных значениях входного на­пряжения.

При значениях U_ВХ, заключенного между U_СТ.1 и U_СТ.2, выходное напряже­ние

При этом наклон графика зависимости U_ВЫХ от U_ВХ можно описать выраже­нием

Аналогично, при условии U_СТ.2 ≤ U_ВЫХ ≤ U_СТ.3

и при U_ВХ < U_СТ.1

Чем короче длина каждого отрезка, на которые разбит диапазон изменения U_ВХ, тем выше точность достижения в аппроксимации нелинейной зависимости. Если изменить полярность включения стабилитронов, схема будет работать при отрицательных входных напряжениях.

3. Программа работы

3.1. Ознакомиться с лабораторным макетом 5 для исследования ОУ с нели­нейными обратными связями.

3.2. Исследовать схему двустороннего ограничителя напряжения (рис. 5.5): рассчитать и проверить экспериментально уровни ограничения выходного на­пряжения и угловой коэффициент усилителя для различных значений U_ВХ.

3.3. Проверить п. 3.2 для схемы, изображенной на рис. 5.6.

3.4. Исследовать схему функционального преобразователя (рис. 5.7):

а) рассчитать и экспериментально проверить угловой коэффициент при различных значениях величин резисторов R7-R10;

б) пронаблюдать выходное напряжение преобразователя при подаче на его вход напряжений треугольной и синусоидальной формы.

3.5. Исследовать схему преобразователя напряжения треугольной формы в синусоидальное (рис. 5.8).

3.6. Исследовать схему прецизионного амплитудного детектора (рис.5.9).

4. Экспериментальные исследования

4.1. Ознакомиться с лабораторным стендом. Перед началом работы вклю­чить и откалибровать осциллограф С1-93 и генератор ГЗ-111, изучить встроен­ный в стенд генератор треугольного и пилообразного напряжения.

Рис. 5.5. Двусторонний ограничитель напряжения (схема 1)

4.2. Исследовать схему двустороннего ограничителя напряжения (рис. 5.5).

4.2.1. Подать на вход XS1 сигнал треугольной формы и наблюдать форму сигнала на двулучевом осциллографе на входе и выходе ограничителя (контакты XS11 разомкнуты).

4.2.2. Повторить п. 4.2.1 для случаев, когда вывод VD17 замкнут через кон­такты XS11 непосредственно на выход DA4 и через сопротивление R23.

Во время выполнения п.п. 4.2.1 и 4.2.2 измерять амплитуду входного сигна­ла и его смещение относительно нулевого уровня.

4.3. Повторить п. 4.2 для схемы, изображенной на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Двустронний ограничитель напряжения (схема 2 макета)

Рис. 5.7. Функциональный преобразователь (схема 3 макета)

Рис. 5.8. Преобразователь формы напряжения (схема 4 макета)

Рис. 5.9. Прецизионный амплитудный детектор (схема 5 макета)

4.4. Для исследования схемы функционального преобразователя (рис.5.7) подать на вход напряжение треугольной формы соответствующей полярности, зависящей от положения переключателя SA2. Амплитуду входного напряжения установить максимальную.

4.4.1. Установить в некоторое положение потенциометры R7–R10 и изме­рить прибором В7–16А их величину. Измерения производить при разомкнутом положении переключателя SA2 (положение 2).

4.4.2. Определить экспериментально угловой коэффициент и сравнить с рас­четным значением.

4.5. Подать на вход преобразователя формы напряжения (рис 5.8) напряже­ние треугольной формы, симметричное относительно нуля и амплитудой 5 В. Пронаблюдать выходное напряжение при различных амплитудах U_ВХ.

4.6. Подать на вход прецизионного амплитудного детектора (рис.5.9) сигна­лы различной формы и пронаблюдать на двулучевом осциллографе входные и выходные сигналы.

5. Оформление отчета и анализ полученных результатов

5.1. Согласно п. 4.1 дается краткое описание схем лабораторного макета. Выполняются схемы в соответствии с требованиями ГОСТа.

5.2. Производятся расчеты, предусмотренные разделами 3 и 4, сравниваются результаты экспериментов и теоретических расчетов.

5.3. Вычерчиваются диаграммы входных и выходных напряжений для всех схем с указанием их численных значений.

5.4. Объясняются полученные зависимости.

6. Контрольные вопросы

6.1. Объясните принцип действия функциональных преобразователейс ис­пользованием операционных усилителей и полупроводниковых диодов.

6.2. Назовите элементы, используемые для построения логарифмических преобразователей.

6.3. Укажите главные причины такого явления, как большая чувствитель­ность к изменениям температуры схем логарифмических усилителей без темпе­ратурной компенсации.

6.4. Перечислите области применения устройства сжатия сигналов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника – М.: Высшая школа, 1982. – 495 с.

2. Якубовский СВ. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. – М: Радио и связь, 1984. – 383 с.

3. Шило Е.Л. Линейные интегральные схемы. — М.: Сов. радио, 1979. – 365 с.

4. Кофлин Р., Дрискол Ф. Операционные усилители и линейные интеграль­ные схемы. – М.: Мир, 1979. – 359 с.

5. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС. – М: Мир, 1985. – 568 с.

6. Пейтон Дж. Аналоговая электроника на операционных усилителях. – М.: Бином. – 349 с.

7. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники – М.: Мир, 1983. – 598 с.

8. Остапенко Г.С. Усилительные устройства. – М.: Радио и связь, 1989. – 400 с.

9. Вайсбурд Ф.И., Панаев Г.А., Савельев Б.Н. Электронные приборы и усили­тели – М.: Радио и связь, 1987. – 472 с.

10. Цыкина А.В. Электронные усилители. – М.: Радио и связь, 1982. – 288 с.

11. Аронов В.Л., Баюков А.В., Зайцев А.А. Полупроводниковые приборы: Транзисторы: Справочник. – М.: Энергоиздат, 1982. – 904 с.

12. Рутковски Дж. Интегральные операционные усилители: Справочное ру­ководство. – М.: Мир, 1978. – 324 с.

13. Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры/И.В. Новаченко, В.М. Пету­хов, И.П. Блудов, А.В. Юровский. – М.: Радио и связь, 1989. – 384 с.

14. Джонсон Д., Джонсон Дж., Мур Г. Справочник по активным фильтрам. – М.: Энергоиздат, 1983. – 128 с.

Редактор Н. М. Лезина

Техн. редактор А.В.Миних

Издательство Южно-Уральского государственного университета

ИД № 00200 от 28.09.99. Подписано в печать 18.08.2004. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,79. Уч.-изд. л. 2,85. Тираж 100 экз. Заказ 278/338. Цена 22 р.

УОП Издательства. 454080, г. Челябинск, пр. им. В. И. Ленина, 76.

Дата добавления: 2014-10-10; просмотров: 1101; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!