Інструкція до лабораторної роботи № 4. Інструкція до лабораторної роботи з Схемотехніка. Робота № 524526

Перехід до торгівельного партнера Binance

Інструкція до лабораторної роботи № 4

Інформація про навчальний заклад

ВУЗ:

Національний університет Львівська політехніка

Інститут:

Не вказано

Факультет:

Управління інформацією

Кафедра:

Не вказано

Інформація про роботу

Рік:

2013

Тип роботи:

Інструкція до лабораторної роботи

Предмет:

Схемотехніка

Завантажити

Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА» ДОСЛІДЖЕННЯ ЧАСОВИХ ДІАГРАМ АНАЛОГОВИХ СХЕМ НА ОПЕРАЦІЙНИХ ПІДСИЛЮВАЧАХ Інструкція до лабораторної роботи № 4 з навчальної дисципліни: “Схемотехніка пристроїв технічного захисту інформації” для студентів базових напрямків 6.170102 “Системи технічного захисту інформації”, 6.170103 “Управління інформаційною безпекою” Затверджено на засіданні кафедри (Захист інформації( Протокол № від 2013 р. Львів – 2013 Дослідження часових діаграм аналогових схем на операційних підсилювачах: Інструкція до лабораторної роботи №4 з дисципліни: “Схемотехніка пристроїв технічного захисту інформації”/ Укл.: Кеньо Г.В., ( Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2013. ( 14 с. Укладач Кеньо Г.В., к. т. н., доц., Відповідальний за випуск Дудикевич В.Б., д.т. н., проф. Рецензенти: 1. Мета роботи Ознайомитися з основними параметрами операційних підсилювачів (ОП). Реалізувати в середовищі MicroCap 8 аналогові схеми на операційних підсилювачах та дослідити їх роботу. 2. Завдання За допомогою графічного редактора системи схемотехнічного моделювання MicroCap 8 ознайомитись з моделями операційних підсилювачів. Синтезувати аналогові схеми з операційним підсилювачем. Отримати часові залежності вхідної та вихідної напруги для різних схем увімкнення ОП. 3. Теоретичні відомості 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 властивості: 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 досягненою повністю, однак до них можна наблизитися з достатньою для практичного застосування точністю. З перерахованих властивостей можна вивести два дуже суттєві правила аналізу схем увімкнення ОП: входи ідеального ОП не споживають енергії від кола джерела сигналу; напруга керування між входами ідеального ОП для будь-якої схеми увімкнення дорівнює нулю. В наш час ОП виконують, зазвичай, 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 зазвичай працює за малих струмів і має малий коефіцієнт підсилення за напругою KU=20(30. Значення колекторного струму складає десятки мкА, що дозволяє забезпечити високий вхідний опір, покращити дрейфові і шумові параметри ОП; ПН – каскад підсилення напруги, зазвичай виконаний також за диференціальною схемою і працює при більших струмах колектора (сотні мкА – одиниці мА), що забезпечує більше значення коефіцієнта підсилення за напругою KU=200(300; ПА – каскад підсилення амплітуди сигналу, який одночасно забезпечує зсув потенціалів між каскадами; ЕП – емітерний повторювач, який здійснює узгодження ОП з низькоомним навантаженням. Рис.1. Структурна схема ОП На рис.2 подано позначення ОП на принципових електричних схемах. Рис.2. Умовне графічне позначення ОП W – диференціальні входи: інвертувальний (–) і неінвертувальний (+) (інвертувальний 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. Живлення ОП 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 подаванні на інвертувальний вхід вхідного сигналу, а на неінвертувальний вхід нульового потенціалу, підсилювач є інвертувальним – вхідна і вихідна його напруги при цьому мають різні знаки (вхідна і вихідна напруги перебувають у протифазі). При подаванні на неінвертувальний вхід вхідного сигналу і нульового потенціалу на інвертувальний вхід, підсилювач стає неінвертувальним – знаки вхідної і вихідної напруг співпадають (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 – менше за 100 Ом). При цьому будемо враховувати, що у ідеального ОП, якщо він працює у лінійному режимі (на пологій частині передавальної характеристики), потенціали обох входів однакові, тобто його Uвх = 0. Отже, у лінійному режимі ОП так керує зовнішнім ВЗЗ, що напруга між його входами дорівнює нулю. Реально ця напруга трохи відрізняється від нуля, бо KU все ж таки менший за нескінченість. Однак для багатьох застосувань сучасні ОП можна вважати ідеальними. При цьому похибки, зумовлені неврахуванням реальних параметрів, складають частки відсотка. Інвертувальний та неінвертувальний підсилювачі Інвертувальний підсилювач, схема якого наведена на рис.3,а (джерела живлення тут не показані), підсилює напругу вхідного сигналу і змінює знак вихідної напруги відносно вхідної. а б в Рис.3. Інвертувальне (а), неінвертувальне (б) увімкнення ОП, та неінвертувальний повторювач напруги на ОП (в) Коефіцієнт підсилення інвертувального підсилювача: (1) Схема неінвертувального підсилювача наведена на рис.3,б. Коефіцієнт підсилення неінвертувального підсилювача на ОП (2) Якщо задати RЗЗ = 0, а R1 = (, то одержимо повторювач напруги (рис.3,в). Він має великий вхідний опір і малий вихідний і використовується для узгодження джерел сигналу, що мають великий вихідний опір з низькоомним навантаженням. Рис. 5. Повторювач напруги Диференціальний підсилювач та суматор сигналів на ОП Схема диференційного підсилювача наведена на рис.4,а. Як видно зі схеми увімкнення, вхідний сигнал подається зразу на два входи, тобто це ніби суміщення двох підсилювачів – інвертувального і неінвертувального. Якщо у цій схемі припустити, що Uвх1 = 0 (тобто припустимо, що верхній вхід під’єднано до точки „(”), схема зводиться до неінвертувального підсилювача (див. рис.3,б). Якщо прийняти Uвх2 = 0 (до точки „(” під’єднано нижній вхід підсилювача), то схема зводиться до інвертувального підсилювача (див. рис.3,а). Така схема увімкнення має властивість значно послаблювати синфазний сигнал, тобто усувати паразитичний сигнал наведення. а б Рис. 4. Різницевий підсилювач (а) та суматор напруг (б) на операційному підсилювачі Знаючи коефіцієнти підсилення по інвертувальному та неінвертувальному входах, можна отримати вираз для вихідної напруги різницевого підсилювача, використовуючи метод суперпозиції: . (3) Якщо R2= R1, R3= Rзз і R3/ R2= Rзз/ R1=m, то . (4) Для доброго придушення синфазних сигналів необхідний точний підбір резисторів R1, R2, R3 і Rзз. Здатність підсилювати корисний сигнал на фоні сильних синфазних завад дає змогу застосовувати різницевий підсилювач у різних вимірювальних пристроях. Суматор (рис.4,б) виконує функцію додавання вхідних сигналів, тобто напруга на виході такої схеми дорівнює алгебраїчній сумі вхідних напруг: (5) Якщо всі резистори рівні , то . (6) Коли прийняти, що , то схема буде забезпечувати підсумовування вхідних напруг: . (7) Якщо , напруга на виході схеми підсумовування буде пропорційною до середнього значення вхідних напруг . (8) Розглянута схема суматора напруг на операційному підсилювачі може працювати як на постійному, так і на змінному струмах. Інтегратор та диференціатор вхідного сигналу на ОП Схема інтегратора на ОП наведена на рис.5,а. Як видно, вона відрізняється від схеми інвертувального підсилювача тим, що замість RЗЗ увімкнено конденсатор С. а б Рис. 5. Інтегратор (а) та диференціатор (б) вхідної напруги на операційному підсилювачі Оскільки конденсатор увімкнено між виходом ОП і точкою, що має нульовий потенціал, то конденсатор заряджається постійним струмом, і напруга на ньому змінюється лінійно: . (9) Це є рівнянням прямої, що починається з нуля. Отже у даному разі на виході інтегратора маємо напругу, що змінюється лінійно. Така властивість використовується в генераторах пилкоподібної напруги. Схема диференціатора наведена на рис. рис.5,б. Операційний підсилювач пропускає тільки змінну складову напруги. Коефіцієнт підсилення диференціатора повинен зростати зі збільшенням швидкості зміни вхідної напруги. (10) Розглянуті схеми на ОП є основою для побудови найрізноманітніших пристроїв аналогової техніки: підсилювачів, суматорів, активних фільтрів, генераторів і т.п. 4. Порядок виконання роботи 1. За допомогою системи схемотехнічного моделювання Micro-Cap8 (MC8) ознайомитись з моделями та параметрами операційних підсилювачів на прикладі ОП марки UA741M. 2. За допомогою системи схемотехнічного моделювання Micro-Cap8 синтезувати інвертувальний підсилювач на ОП (рис.6,а). Опір резистора R1=10 кОм, Rzz задати, згідно з виразом (1) таким, щоб забезпечити коефіцієнт підсилення KU=10. Використати операційний підсилювач марки UA741M, 1 рівня, джерела живлення VСC= VEE=15В. Задати джерело імпульсного сигналу Еg з максимальним значенням 1 мВ, тривалістю 50 мкс, періодом повторення 100 мкс, часом наростання переднього фронту та часом спаду 0,01 мкс. Опір резистора навантаження Rn=1 кОм. 3. Отримати часові діаграми вхідного та вихідного сигналів, зробити висновок про форму, амплітуду, фазу вихідного сигналу та коефіцієнт підсилення каскаду. 4. Синтезувати неінвертувальний підсилювач на ОП (рис.6,б). Rzz задати, згідно з виразом (2) таким, щоб забезпечити коефіцієнт підсилення KU=10. Отримати часові діаграми вхідного та вихідного сигналів, зробити висновок про форму, амплітуду, фазу вихідного сигналу та коефіцієнт підсилення каскаду. а б Рис.6. Інвертувальний (а) та неінвертувальний (б) підсилювач на ОП 5. Синтезувати диференціальний підсилювач на ОП (рис.7,а). Задати опори резисторів R1=R2=10 кОм, ,Rzz=R13=60 кОм, джерела імпульсного сигналу Еg1 та Еg2, що подаються на два входи (п.4.2), протилежними за фазою. Розрахувати за виразом (4) напругу вихідного сигналу. Отримати часові діаграми вхідних та вихідного сигналів, зробити висновок про форму, амплітуду, фазу вихідного сигналу та коефіцієнт підсилення різниці сигналів. 6. Синтезувати суматор вхідних напруг на ОП (рис.7,б). Задати опори резисторів R1=30 кОм, R2=45 кОм, R3=60 кОм, R4=15 кОм, Rzz=90 кОм, джерела імпульсного сигналу Еg1, Еg2 та Еg3, що подаються на три входи (п.4.2), однаковими за формою, амплітудою та фазою. Розрахувати за виразом (5) напругу вихідного сигналу. Отримати часові діаграми вхідних та вихідного сигналів, зробити висновок про форму, амплітуду, фазу вихідного сигналу. а б Рис.7. Різницевий підсилювач (а) та суматор вхідних сигналів (б) на ОП 7. Синтезувати диференціатор вхідної напруги на ОП (рис.8,а). Задати опір резистора R1=1 кОм, конденсатора С1=1 мФ. Отримати часові діаграми вхідного та вихідного сигналів, зробити висновок про форму та фазу вихідного сигналу. 8. Синтезувати інтегратор вхідної напруги на ОП (рис.8,б). Задати опір резистора R1=1 кОм, R2=0,1 кОм, R3=1 кОм, конденсатора С1=1 мкФ. Отримати часові діаграми вхідного та вихідного сигналів, зробити висновок про форму та фазу вихідного сигналу. а б Рис.8. Диференціатор (а) та інтегратор (б) вхідного сигналу на ОП 5. Методичні вказівки 5.1. Моделі операційних підсилювачів Операційні підсилювачі в системі МС8 вибираються за допомогою таких шляхів в меню: Компоненты/ Analog Primitives/Active Devices/Opamp (рис.9), або Компоненты/ Analog Library/Opamp. Далі в підменю потрібно вибрати потрібний тип операційного підсилювача. Рис.9. Вікно вибору операційного підсилювача В атрибуті Part задається ім’я ОП у схемі, в атрибуті Model вказується ім’я моделі ОП, яку можна вибрати з каталогу справа. Рис.10. Вікно вибору типу операційного підсилювача та задавання його параметрів Для операційного підсилювача існують моделі 3-х рівнів. Кожен наступний рівень являє собою більш точну модель завдяки використанню більш складної еквівалентної схеми. Модель 1-го рівня (LEVEL 1) є кероване напругою джерело струму з обмеженим вихідним опором і без зворотного зв'язку. Модель 2-го рівня (LEVEL 2) складається з трьох частин, має 2 полюси і обмеження швидкості наростання, кінцеві коефіцієнт підсилення і вихідний опір. Модель 3-го рівня (LEVEL 3) – це вдосконалена модель Бойля і є повноцінною вбудованою в MC8 моделлю операційного підсилювача. Вона моделює обмеження швидкості наростання і спаду, обмеження коефіцієнта передавання, вихідного опору на постійному і змінному струмі, напруги і струми зміщення нуля, фазові зсуви, смугу пропускання, 3 види диференціальних входів, обмеження вихідної напруги і обмеження струму. Параметри моделей операційних підсилювачів подано в табл..1 Таблиця 1. Параметри моделей операційних підсилювачів Позначення Рівень моделі LEVEL Параметр Роз-мір-ність Значення за замов-чуванням LEVEL 1—3 Рівень моделі (1, 2, 3) — 1 TYPE 3 Тип вхідного транзистора: 1 - NPN, 2 - PNP, 3 - JFET — 1 С 3 Ємність корекції Ф 30E-12 A 1—3 Коефіцієнт підсилення за постійним струмом — 2E5 ROUTAC 1 —3 Вихідний опір за змінним струмом Ом 75 ROUTDC 1 —3 Вихідний опір за постійним струмом Ом 125 VOFF 3 Напруга зміщення нуля В 0,001 IOFF 3 Різниця вхідних струмів зміщення А 1E-9 SRP 2,3 Максимальна швидкість наростання вихідної напруги В/с 5E5 SRN 2,3 Максимальна швидкість спаду вихідної напруги В/с 5E5 IBIAS 3 Вхідний струм зміщення А 1E-7 VCC 3 Позитивна напруга живлення В 15 VEE 3 Негативна напруга живлення В -15 VPS 3 Максимальна вихідна позитивна напруга В 13 VNS 3 Максимальна вихідна негативна напруга В -13 CMRR 3 Коефіцієнт придушення синфазного сигналу 10E5 GBW 2, 3 Площа підсилення (дорівнює добутку коефіцієнта підсилення А на частоту першого полюса) — 1E6 PM 2, 3 Запас по фазі на частоті одиничного підсилення град. 60 PD 3 Розсіювана потужність Вт 0,025 IOSC 3 Вихідний струм короткого замикання А 0,02 T_MEASURED 3 Температура вимірювань °С — T_ABC 3 Абсолютна температура °С — T_REL_GLOBAL 3 Відносна температура °С — T_REL_LOCAL 3 Різниця між температурою пристрою та моделі-прототипу °С — Система Micro-Cap8 дає можливість вибрати три моделі роботи ОП. Ми вибираємо 1 рівень, що відповідає ідеальним параметрам ОП (рис.10), оскільки для ознайомлення з роботою запропонованих схем цього рівня буде достатньо. Серед інших параметрів указані напруги живлення ОП: додатна – VCC та від’ємна – VЕЕ. 5.2. Модель імпульсного джерела сигналу Вибір джерела імпульсного сигналу здійснюється командою Компоненты/Analog Primitives/Waveform Sources/Pulse Source. При цьому появиться зображення джерела сигналу, а при фіксації його в робочій області відкривається вікно, у якому потрібно вказати атрибути вибраного елемента (рис.11). Рис.11. Вікно атрибутів джерела імпульсного сигналу У стрічці PART задається назва джерела сигналу (за замовчуванням присвоюється ім’я чергового джерела енергії (V1, V2 і т.д.). У стрічці MODEL потрібно задати ім’я моделі джерела сигналу (наприклад, PULSE, PUL1, ZI2). При цьому появиться назва моделі у списку моделей Voltage vs.Time, і активуються стрічки для задавання параметрів моделі джерела сигналу (табл.2). Таблиця 2. Параметри моделі джерела імпульсного сигналу Позначення Параметр Розмірність Значення за замовчуванням VZERO Початкове значення В 0 VONE Максимальне значення В 5 P1 Початок переднього фронту с 0 P2 Початок плоскої вершини імпульсу с Р1+0,1 нс P3 Кінець плоскої вершини імпульсу с 0,5 мкс P4 Момент досягнення рівня VZERO с Р3+10 нс P5 Період повторення с 1 мкс Перевірити вигляд заданого сигналу можна натиснувши кнопку График в діалоговому вікні задавання параметрів моделі (рис.12). Рис.12. Залежність напруги від часу змодельованого джерела імпульсного сигналу 5.3. Аналіз перехідних процесів Для проведення аналізу напруги вхідних та вихідних сигналів для аналогових схем на операційному підсилювачі, потрібно вибрати з меню команд Анализ/Переходные процессы, і задати параметри аналізу, як вказано на рис.13. Рис.5. Вікно аналізу перехідних процесів схем на ОП Після натискання кнопки Запуск ми отримаємо на екрані віртуальні залежності від часу напруги в заданих входах та виходах схеми. 6. Вимоги до оформлення звіту Звіт про пророблену роботу повинен містити: Назву і мету роботи. Схеми увімкнення операційних підсилювачів з короткою характеристикою елементів, які в них входять. Розрахунки опорів резисторів, що задають необхідний коефіцієнт підсилення, або вихідної напруги. Осцилограми напруги вхідних та вихідних сигналів для кожної схеми увімкнення ОП. Розраховані з осцилограм коефіцієнти підсилення або амплітуда вихідного сигналу. Короткі висновки, що випливають з аналізу осцилограм та розрахунків. 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? Намалювати схему інвертувального підсилювача на ОП, як визначається її коефіцієнт підсилення? Намалювати схему неінвертувального підсилювача на ОП, як визначається її коефіцієнт підсилення? Намалювати схему неінвертувального повторювача напруги на ОП, Намалювати схему різницевого підсилювача на ОП, як визначається її вихідна напруга? Намалювати схему суматора вхідних напруг на ОП, як визначається вихідна напруга суматора? Намалювати схему інтегратора та диференціатора вхідної напруги, пояснити форму вихідного сигналу? 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. Дудикевич В.Б. та ін. Електроніка та мікросхемотехніка: Навч. посібник. Ч. 2: Аналогова схемотехніка / В.Б. Дудикевич, Г.В. Кеньо, І.В. Петрович. – Серія “Дистанційне навчання”. – № 53. – Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2010. – 224 с. 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.

Інструкція до лабораторної роботи Схемотехніка

Julia-lukach

30.05.2013 21:05-

Коментарі

Ви не можете залишити коментар. Для цього, будь ласка, або зареєструйтесь.

Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!

Маєш корисні навчальні матеріали, які припадають пилом на твоєму комп'ютері? Розрахункові, лабораторні, практичні чи контрольні роботи — завантажуй їх прямо зараз і одразу отримуй бали на свій рахунок! Заархівуй всі файли в один .zip (до 100 МБ) або завантажуй кожен файл окремо. Внесок у спільноту – це легкий спосіб допомогти іншим та отримати додаткові можливості на сайті. Твої старі роботи можуть приносити тобі нові нагороди!

поділитись