Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
ДОСЛІДЖЕННЯ ЧАСОВИХ ДІАГРАМ ОПЕРАЦІЙНИХ СХЕМ
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Інститут комп’ютерних технологій, автоматики та метрології
Факультет:
Інформаційна безпека
Кафедра:
Кафедра захисту інформації
Інформація про роботу
Рік:
2008
Тип роботи:
Методичні вказівки до лабораторної роботи
Предмет:
Методи та засоби технічного захисту інформаціЇ
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»
ДОСЛІДЖЕННЯ ЧАСОВИХ ДІАГРАМ ОПЕРАЦІЙНИХ СХЕМ
Інструкція до лабораторної роботи № 5
з навчальної дисципліни: “Електроніка та мікросхемотехніка”
для студентів базового напряму 6.0914
«Інформаційна безпека», «Безпека інформаційних і комунікаційних систем», «Системи технічного захисту інформації», «Управління інформаційною безпекою»
Затверджено
на засіданні кафедри
Захист інформації
Протокол № від 2008 р.
Львів – 2008
Дослідження часових діаграм операційних схем: Інструкція до лабораторної роботи №5 з дисципліни: “Електроніка та мікросхемотехніка” / Укл.: Кеньо Г.В., Собчук І.С. , Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2008. с.
Укладач Кеньо Г.В., к. т. н., доц., Собчук І.С., к.ф.-м.н., доц.
Відповідальний за випуск Дудикевич В.Б., д.т. н., проф.
Рецензенти:
МЕТА РОБОТИ
Ознайомитися з основними включеннями операційних підсилювачів(ОП). Отримати часові залежності вхідної та вихідної напруги для різних схем включення ОП.
ТЕОРЕТИЧНИЙ ВСТУП
Назва «операційний підсилювач» (ОП) пов’язана з тим, що перші модифікації таких підсилювачів були розроблені і застосовувались виключно для виконання математичних операцій в аналогових обчислювальних машинах.
Ідеальний ОП – це підсилювач з диференціальними входами, який повинен мати наступні властивостями: нескінченний коефіцієнт підсилення за напругою в нескінченно широкій смузі частот, зокрема амплітуда вихідного сигналу повинна залишатися сталою на будь-якій частоті; нескінченно великий вхідний і нульовий вихідний опори; рівність нулю вихідної напруги, при рівних напругах на входах. Крім того, підсилювач не повинен мати шумових і дрейфових похибок, що проявляються в заданому діапазоні температур протягом певного часу.
На практиці ні одна з цих властивостей не може бути досягнена повністю, однак до них можна наблизитися з достатньою для практичного застосування точністю. Тому, можна говорити тільки в доступній степені наближення параметрів ОП до ідеальних параметрів. З перерахованих властивостей можна вивести два дуже суттєві правила аналізу схем ввімкнення ОП:
входи ідеального ОП не споживають енергії від кола джерела сигналу;
напруга керування між входами ідеального ОП для будь-якій схемі ввімкнення дорівнює нулю.
В наш час ОП виконують, як правило, у вигляді монолітної інтегральної схеми. Структурна схема ОП наведена на рис.1 і переважно складається з таких каскадів:
ДП – диференціальний каскад підсилення з емітерним зв’язком, який переважно працює при малих струмах і має малий коефіцієнт підсилення за напругою EMBED Equation.3 . Значення колекторного струму складає десятки мкА, що дозволяє забезпечити високий вхідний опір, покращити дрейфові і шумові параметри ОП;
ПН – каскад підсилення напруги, переважно виконаний також за диференціальною схемою і працює при більших струмах колектора (сотні мкА – одиниці мА), що забезпечує більше значення коефіцієнта підсилення за напругою EMBED Equation.3 ;
ПА – каскад підсилення амплітуди сигналу, який одночасно забезпечує зсув потенціалів між каскадами;
ЕП – емітерний повторювач, який здійснює погодження ОП з низькоомним навантаженням.
EMBED Visio.Drawing.6
Рис.1. Структурна схема ОП
На принципових електричних схемах ОП позначаються згідно рис.2.
EMBED Visio.Drawing.6
Рис.2. Умовне позначення ОП
W – диференціальні входи: інвертуючий (–) і неінвертуючий (+) (інвертуючий вхід часто позначається кружечком);
m – вихід ОП;
FC1, FC2 – входи частотної корекції;
R1, R2 – входи балансування або входи встановлення нуля на виході ОП;
+U, –U – різнополярні напруги живлення ОП;
0V – спільна („земляна”) точка схеми ОП.
Як видно з рис.2 живлення ОП DА здійснюється від двох різнополярних джерел з однаковими абсолютними значеннями е.р.с. Е1 і Е2. До входів ОП прикладається вхідна напруга Uвх на фоні синфазної Uсф. При цьому ОП підсилює лише Uвх.
При подачі на неінвертуючий вхід нульового потенціалу, підсилювач є інвертуючим – вхідна і вихідна його напруги при цьому мають різні знаки (у випадку гармонійного сигналу вхідна і вихідна напруги знаходяться у протифазі).
При подачі нульового потенціалу на інвертуючий вхід, підсилювач стає неінвертуючим – знаки вхідної і вихідної напруг співпадають (у випадку гармонійного сигналу – вхідна і вихідна напруги синфазні).
Розглянемо деякі типові аналогові пристрої, виконані на ОП.
При аналізі роботи цих пристроїв будемо вважати ОП за ідеальний, тобто:
1) КU = ¥ (реально – десятки і сотні тисяч);
2) Rвх = ¥ за кожним входом (реально – сотні кілоом);
3) Rвих = 0 (реально – менш за 100 Ом).
При цьому будемо враховувати, що у ідеального ОП, якщо він працює у лінійному режимі (на пологій частині передатної характеристики), потенціали обох входів однакові. Тобто його Uвх = 0.
Отже, маємо: у лінійному режимі ОП так керує зовнішнім НЗЗ, що напруга між його входами дорівнює нулю.
Реально ця напруга трохи відрізняється від нуля, бо КU все ж таки менший за безкінечність. Однак для багатьох застосувань сучасні ОП можна вважати за ідеальні. При цьому похибки, зумовлені неврахуванням реальних параметрів, складають долі відсотка.
1) Інвертуючий підсилювач.
EMBED Word.Picture.6
Рис. 3 - Інвертуючий підсилювач на ОП
Інвертуючий підсилювач, схема якого наведена на рис.3 (джерела живлення тут не показані), змінює знак вихідної напруги відносно вхідної.
У ОП, охопленого НЗЗ, у лінійному (підсилювальному) режимі різницю напруг між входами вважаємо рівною нулю: U0 = 0. Виходячи з цього, потенціал інвертуючого входу (точка а) дорівнює потенціалу неінвертуючого, підімкненого до нульової точки.
Коефіцієнт підсилення інвертуючого підсилювача
EMBED Equation.3 (1)
2) Неінвертуючий підсилювач.
EMBED Word.Picture.6
Рис. 4 - Неінвертуючий підсилювач на ОП
Схема неінвертуючого підсилювача наведена на рис. 4.
Виходячи з викладених вище міркувань, при U0 = 0 напруга, що прикладена до R1, дорівнює Uвх..
Коефіцієнт підсилення неінвертуючого підсилювача на ОП
EMBED Equation.3 (2)
Якщо задати RЗЗ = 0, а R1 = ¥, то одержимо повторювач напруги – рис. 5. Він має великий вхідний опір і малий вихідний і використовується для узгодження джерел сигналу, що мають великий опір з низькоомними навантаженнями.
EMBED Word.Picture.6
Рис. 5. Повторювач напруги
3) Диференційний підсилювач.
EMBED Word.Picture.6
Рис. 6. - Диференційний підсилювач
Схема диференційного підсилювача наведена на рис. 6. Як видно з схеми включення вхідний сигнал подається зразу на два входи, тобто це ніби суміщення двох підсилювачів інвертую чого і неінвертуючого.
Якщо у цій схемі прийняти, що Uвх1 = 0 (тобто припустимо, що верхній вхід під’єднано до точки „^”), схема зводиться до неінвертуючого підсилювача (див. рис.4.).
Якщо тепер прийняти Uвх2 = 0 (до точки „^” під’єднано нижній вхід підсилювача), то схема зводиться до інвертуючого підсилювача (див. рис. 3).
Така схема включення має властивість значно послаблювати синфазний сигнал, тобто усувати паразитичний сигнал наведення.
4) Суматор.
Рис.7. - Суматор
Суматор виконує функцію підсумо вування вхідних сигналів, тобто напруга на виході такої схеми дорівнює алгебраїчній сумі вхідних напруг див.рис.7. Кількість входів, які підлягають сумуванню може бути більше двох.
5) Інтегратор.
Схема інтегратора на ОП наведена на рис. 8. Як видно, вона відрізняється від схеми інвертуючого підсилювача, (див. рис.3) тим, що замість RЗЗ ввімкнено конденсатор С.
EMBED Word.Picture.6
Рис. 8 –Інтегратор
Оскільки конденсатор ввімкнено між виходом ОП і точкою а, що має нульовий потенціал, то конденсатор заряджається струмом постійного значення, і напруга на ньому змінюється лінійно:
EMBED Equation.3 . (3)
Це є рівняння прямої, що починається з нуля.
Отже у даному разі на виході інтегратора маємо напругу, що лінійно змінюється. Така його властивість використовується в генераторах пилкоподібної напруги.
6) Диференціатор.
EMBED Word.Picture.6
Рис. 9 - Диференціатор
Схема диференціатора наведена на рис. 9.
Відомо, що
EMBED Equation.3 (3.23)
Якщо вхідна напруга диференціатора змінюється лінійно EMBED Equation.3 вихідна напруга матиме постійне значення.
На закінчення зазначимо, що, при роботі підсилювачів на ОП у лінійному режимі і за наявності глибокого НЗЗ, ОП за своїми параметрами істотно наближається до ідеального, бо різко зростає його вхідний опір і зменшується вихідний.
Перше, наприклад, пояснюється тим, що через малу різницю потенціалів між входами (U0 ® 0) незначні і вхідні струми.
Розглянуті схеми на ОП є основою для побудови найрізноманітніших пристроїв аналогової техніки: підсилювачів, суматорів, активних фільтрів, генераторів і т.п.
ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ
Синтезувати операційні схеми рис.10, за допомогою системи схемотехнічного моделювання Micro-Cap8(MC8).
Провести аналіз перехідних процесів: отримати часові характеристики V(вх), V(вих) для схем: 10а, 10б, 10в, 10д, 10е. Зробити висновок про форму та фазу отриманих сигналів.
Провести аналіз перехідних процесів: отримати часові характеристики V(вх1), V(вх2), V(вих) для схем: 10г(V(6), V(7), V(4)) і 10є(V(6), V(7), V(4)). Зробити висновок про форму та фазу отриманих сигналів.
а) б)
в) г)
д) е)
є)
Рис.10 - Схеми включення ОП: а) неінвертуючий підсилювач; б) інвертуючий підсилювач; в) повторювач напруги; г) диференційний підсилювач; д) ди ференціатор; е) інтегратор; є) суматор.
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
У всіх схемах рис.10 використаний операційний підсилювач UA741M, який вибираємо відриваючи вікно Компоненты. За допомогою інструментів Компоненты можна вибрати світові аналоги у розділі Analog Primitives /Active Devices(рис.11.).
Рис.11. Вікно вибору ОП.
Система Micro-Cap8 дає можливість вибрати три моделі роботи ОП. Ми вибираємо 1 рівень, що відповідає ідеальним параметрам ОП див.рис.12., оскільки для ознайомлення з роботою запропонованих схем цього рівня буде достатньо.
Для забезпечення необхідних режимів роботи ОП використовуємо дві батареї V3=V4=15В.
В якості вхідних сигналів вибираємо:
Для схем 10а, 10б, 10в джерело прямокутних імпульсів з параметрами –
які вносяться в таблицю у вікні Pulse Source див. рис. 13. ;
У схемі 10г джерело сигналу батарея з напругою 1м(мВ);
Для схем 10д, 10е джерело прямокутних імпульсів з параметрами –
які вносяться в таблицю у вікні Pulse Source див. рис. 13. ;
Для схеми суматора 10є необхідно використати два джерела сигналу V7=1м(мВ) і V6=4м(мВ).
Рис.12. Вікно вибору операційного підсилювача.
Рис.13.Вікно для вибору параметрів прямокутного імпульсу.
Проведемо аналіз часових залежностей вхідних та вихідних характеристик, для цього виберемо з меню команд Анализ/Переходные процессы. Задамо параметри аналізу , де діапазон часу – 1м(мс), по осі Х(XExpression) задаємо час Т, по осі Y(YExpression) задаємо номери вузлів у яких ми хочемо отримати значення величини сигналу (наприклад v(4) – вихідна напруга або v(1) – вхідна напруга див.рис.14., вузли вказані для схеми 10а.). Мінімальні та максимальні значення величин по осях X таY(XRange та YRange) при першому запуску рекомендується встановити Auto, оскільки нам невідомо верхня межа значень у заданих вузлах.
Після натискання кнопки Запуск ми отримаємо на екрані віртуальні залежності напруги від часу в заданих вузлах схеми.
Рис.14. Вікно аналізу перехідних процесів.
ЗМІСТ ЗВІТУ
Звіт про пророблену роботу повинен містити:
Точну назву і мету роботи.
Схеми включення операційних підсилювачів з короткою характеристикою елементів, які входять в них.
Графіки залежностей V(вх), V(вх1), V(вх2), V(вих) від часу.
Короткі висновки: про форму та фазу вихідних сигналів , про результат отриманий на виході для кожного включення операційного підсилювача.
Контрольні запитання та завдання
Що таке ідеальний ОП?
Які каскади входять в ОП?
Як позначаються ОП на електричних схемах?
Вказати призначення входів та виходів ОП?
Як працює та схема включення інвертуючого підсилювача?
Як працює та схема включення неінвертуючого підсилювача?
Як працює та схема включення повторювача напруги?
Як працює та схема включення диференційного підсилювача?
Як працює та схема включення суматора?
Як працює та схема включення інтегратора?
Як працює та схема включення диференціатора?
РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА
Разевиг В.Г. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap 6.- М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 344 с., ил.
Кардашов Г.А. Виртуальная електроника. Компьютерное моделирование аналогових устройств.- М.: Горячая линия – Телеком, 2006. – 260 с., ил.
Бойко В.И. и др.. Схемотехника электронных систем. Аналоговые ы импульсные устройства.- СПб.: БХВ-Петербург, 2004.-496 с., ил.
Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Електроніка і мікросхемотехніка: Підручник / За ред. А.Г. Соскова - К.: Каравела, 2006. - 384 с.
Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхемотехніка: теорія і практикум: Навч. посіб. / За ред. А.Г. Соскова. 2-е вид. - К.: Каравела, 2004. - 432 с.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора