Лабораторная работа 1
Исследование масштабирующих преобразователей

Теоретические сведения.

Масштабирующие преобразователи применяются для приведения выходного сигнала первичного измерительного преобразователя (датчика) к стандартному уровню для дальнейшего преобразования в цифровую форму и обработки в микропроцессорных системах управления или измерения. Такие преобразователи, по существу, являются усилителями, которые преимущественно выполняются на операционных усилителях (ОУ) в интегральном исполнении, при этом чаще всего используются три схемы включения ОУ, показанные на рис.1.

Рис.1. Инвертирующий (а), неинвертирующий (б) усилитель и повторитель напряжения (в) на ОУ

Усилитель на рис.1,а называется инвертирующим по той причине, что на его выходе сигнал находится в противофазе с входным. Его коэффициент усиления по постоянному току в первом приближении определяется формулой:

K_ои=R2/R1 в диапазоне частот K(j)=K0/(1+j/_гр),

(1)

где _гр - граничная частота ОУ по уровню 0,707K₀.
Коэффициент усиления по постоянному току неинвертирующего усилителя (рис.l, б) в первом приближении равен K_он=1+R3/R1. Частным случаем неинвертирующего усилителя является повторитель напряжения (рис.1,в) с единичным коэффициентом передачи. Он обладает весьма высоким входным сопротивлением и используется для согласования высокоомных датчиков с последующими низкоомными преобразователями.
Одной из важных характеристик усилителей являются их частотные характеристики.
Весьма важными характеристиками ОУ являются смещение нуля и паразитные входные токи. Эти параметры определяют точностные характеристики таких устройств, как аналоговые вычислительные машины, разнообразная измерительная техника и т.п.
Для инвертирующего усилителя выходное напряжение, вызванное напряжением смещения нуля V_os, определяется выражением:

U_oos=V_os(1+R3/R1),

(2)

а вызванное входными токами I_bc и их разностью I_off - соответственно выражениями

U_ois=I_bc(R2-R1||R3||Ri),

(3)

U_oib=I_offR3,

(4)

где значок || означает параллельное включение сопротивлений, Ri - входное сопротивление ОУ.

Подок выполнения работы.

1.     Используя описанную ниже методику определения рабочего диапазона частот ОУ, проведите с помощью схемы на рис.2 сравнительный анализ ОУ следующих типов: LF157 (К140УД23), LM108 (К140УД14), LM358 (К140УД5) и МС1456 (К140УД6). Выберите ОУ с максимальной граничной частотой.
В качестве примера рассмотрим схему на рис.2, которая содержит ОУ МС1456, функциональный генератор и измеритель амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик (АЧХ-ФЧХ). Для оценки рабочего диапазона частот усилителя на ОУ измеряют его АЧХ и определяют верхнюю граничную частоту по уровню 0,707, что соответствует спаду усиления на -3Дб. Из АЧХ усилителя на ОУ МС1456 (рис. 2) видно, что диапазон частот по уровню -3 Дб составляет 0...380 кГц.

2.     Для моделирования влияния дестабилизирующих факторов на выходное напряжение ОУ используется схема на рис.3. Поскольку в процессе эксперимента придется варьировать параметры ОУ, для предотвращения порчи библиотечного компонента целесообразно организовать новую библиотеку, скопировав в нее выбранный компонент, например, ОУ МС1456.
Моделирование целесообразно проводить в следующем порядке:
в режиме редактирования характеристик ОУ установите значения I_bc=I_off=0, а для V_os выберите значения 1, 3, 5, 10 мВ и с помощью мультиметра измерьте соответствующие им выходные напряжения U_oos. Полученные данные сравните с результатами расчетов по формуле (2);

3.     установите V_os=0, I_off=0, для I_bc выберите 1е-10, 3е-10, 5е-10, 1е-9 А, для этих значений измерьте U_oos и сравните с данными расчетов по формуле (3); в случае их расхождений попытайтесь объяснить причину, используя эквивалентную схему (заметим, что формула (3) получена в предположении, что входные токи I_bc имеют одинаковое направление - или втекающие или вытекающие из входных зажимов ОУ в зависимости от типа используемых во входных каскадах транзисторов);
установите V_os=0, I_bc=0 и для I_off выберите 1е-10, Зе-10, 5е-10 А; для каждого значения Ioff измерьте Uoos и сравните с данными расчетов по формуле (4); повторите опыт при I_bc=1е-9 А, после чего сделайте вывод о взаимном влиянии I_off и I_bc.
Заметим, что размерность и обозначения коэффициента передачи зависят от значений и величин входного и выходного сигнала, например, S=I_вых/U_вх - носит название коэффициента преобразования напряжения в ток; W=P_вых/I_вх - коэффициент преобразования тока в мощность. В частном случае, когда входное и выходное значения сигнала являются однородными, коэффициент передачи называют коэффициентом усиления, который в зависимости от характера входной или выходной величин подразделяют на: коэффициент усиления по напряжению K_u=U_вых/U_вх, коэффициент усиления по току K_i=I_вых/I_вх, коэффициент усиления по мощности K_p=P_вых/P_вх и соответственно в логарифмических единицах, K_u=20lg(U_вых/U_вх), K_i=20lg(I_вых/I_вх), K_p=10lg(P_вых/P_вх).

4.     Для усилителя на рис.4 коэффициент усиления K=U_o/U_i=R2/R1=1000. Следовательно, при входном напряжении 1 мВ выходное напряжение должно быть равно 1 В, а вольтметр показывает 500мВ. Объясните причину такого явления.

5.     Проведите моделирование влияния напряжения смещения нуля и паразитных входных токов ОУ на его выходное напряжение, используя схему на рис.4. Проведите сравнительный анализ дестабилизирующих параметров ОУ, перечисленных в п.1.

Контрольные вопросы и задания.

1.     Что такое масштабирующий преобразователь, какие схемы используются для реализации?

2.     Приведите основные определения, используемые в теории усилителей с обратными связями (ОС).

3.     Назовите тип ОС, используемой в инвертирующем усилителе на ОУ и эмиттерном повторителе (параллельная, последовательная, по току, по напряжению).

4.     Какое влияние оказывает отрицательная ОС на стабильность коэффициента усиления?

5.     Назовите условия устойчивой работы усилителя с ОС.

6.     Каким образом влияет обратная связь на входное и выходное сопротивления усилителя?