ЛАБОРАТОРНО УПРАЖНЕНИЕ 4

Схеми на преобразуватели с операционни усилватели

1. Въведение. На миналото лабораторно занятие "изобретихме" и изследвахме основните усилвателни схеми с отрицателна обратна връзка. Сега ще се занимаем с още по-интересни схеми за обработка на аналогови сигнали, които благодарение на феномена "активно копиране" (т.е. отрицателна обратна връзка) са почти идеални. И тук ще останем верни на построителния подход - първо ще изследваме простите пасивни преобразуватели и след това ще ги преобразуваме в по-съвършенни активни схеми с операционни усилватели.

Идеята на това лабораторно упражнение обаче е не само да се запознаем с различните видове схеми на преобразуватели, реализирани с операционни усилватели. Тук трябва да наблюдаваме и изследваме най-уникалното свойство на системите с отрицателна обратна връзка - да компенсират смущаващи въздействия от всякакъв род. За да се убедим в това, ще подложим схемите на "жестоки изпитания" като пъхаме всевъзможни елементи във веригата на отрицателната обратна връзка - резистори, диоди, светодиоди, ценерови диоди, кондензатори, батерии и каквото още се сетите. Ще пробваме и комбинации от елементи (например последователно свързани). Дори ще варираме с параметрите на смущаващите въздействия (например с осветеността на един фоторезистор). Резултатът би трябвало да е неизменно един и същ - операционният усилвател ще компенсира всичките тези смущения. Този феномен е представен по един много забавен начин от Tom Hayes в неговата книга Student Manual for The Art of Electronics. Тази книга така ме впечатли преди няколко години, че направих специално филмче strange-things, посвeтено на автора. Разгледайте го и нека да направим някои от тези експерименти в лабораторията. Да започнем с популярните схеми на диодни ограничители.

2. Паралелен диоден ограничител. Първо нека да построим върху бялата дъска добре познатия ни от лекция 3 пасивен паралелен диоден ограничител (вижте и записките на лекция 3). За да получим желаната характеристика на предаване (третата на снимката вдясно), включваме паралелно на товара (изхода) един диод така, че той да се отпуши при положително входно напрежение. Е, не забравяме да сложим и един резистор, който да ограничава тока.

След това построяваме схемата с реални елементи и я изследваме с помощта на система МИКРОЛАБ. Използвайте командата CTRL X (предавателна характеристика) за генериране на линейно изменящо се напрежение в целия обхват. Когато започнете да анализирате получените резултати, обърнете внимание на връзката между входното и изходното напрежение. Най-простия начин да сравните двете напрежения, е като ги наложите едно върху друго върху екрана на монитора или осцилоскопа.

Сега да разгледаме получените резултати върху екрана. Ясно, в зоната на пропускане те са добри, но в зоната на ограничение падът VF върху диода внася грешка. Започваме да разсъждаваме как да я намалим или дори да я премахнем напълно. Първото, което ни хрумва, е да включим "отместващо" надолу напрежение със стойност 0,6V (защото диодът е силициев). Изследваме схемата - резултатът е добър, но има какво още да се желае, защото за съжаление напрежението върху диода не стои постоянно 0,6V, а се мени в малки граници (спомнете си входната характеристика на диода). Тогава?

Накрая съвсем естествено ни хрумва идеята да компенсираме напрежението VF с едно "следящо" напрежение. За целта някой трябва да регулира компенсиращото напрежение така, че то винаги да "копира" огледално напрежението VF върху диода. Ако няма желаещи, аз ще се заема с тази неблагодарна работа :). Понеже нямам електрически сетива, включвам един нулев индикатор да ми показва разликата между напрежението върху диода и компенсиращото напрежение.

Естествено, най-добре ролята на този "някой" може да изпълнява един операционен усилвател. Сега той изработва компенсиращото напрежение като "наблюдава" резултата с инвертиращия си вход.

Изследвайте схемата като наблюдавате потенциалите в трите интересни точки. Защо ли изходът на операционния усилвател не е изход на схемата? За какво можем да го използваме все пак?

Вътрешни интернет ресурси

strange-things показва уникалното свойство на схемите с отрицателна обратна връзка да компенсират смущения.

pnfb-builder построява множество инвертиращи схеми с операционни усилватели като използва "сценарий" от 4 стъпки.

А ето и поредния, чудесно направен протокол на колегата Петър Иванов, в който той ни разказва как протече занятието с 56б група. Разгледайте го и дайте мнението си за протокола и упражнението като цяло. На следващото упражнение ще продължим експериментите с цифрово-аналогови преобразуватели..

•  Пасивни преобразуватели

В началото на упражнението разгледахме следните пасивни преобразуватели:

•  паралелен ограничител

Схемата на паралелния ограничител е следната:

Източника на напрежение E се регулира по големина и посока. Когато той е включен по посочения на схемата начин, диода се отпушва и шунтира съпротивлението R 2 – напрежението на изхода на схемата (което е напрежението върху резистора R 2 ) искаме да е нула. В действителност то не е нула, а е напрежението върху отпушения диод (0.6-0.7 V ). Съпротивлението R 1 е включено за да ограничи тока през отпушения диод.

Когато входното напрежение Е е с обратна посока диода е запушен и на изхода на схемата имаме напрежението върху R 2 :

Предавателната характеристика на схемата е следната:

С червен цвят е показана идеалната характеристика. Причината реалната предавател-на характеристика да се различава от идеалната е пада V F върху отпушения диод. Има и промяна в наклона, дължаща се на съпротивлението R 1 .

За да се компенсира V F може да се включи в клона на диода източник на напрежение, който да има големина V F и обратна посока, както е показано на следната схема:

Недостатъка на тази схема е, че диода е нелинеен елемент и пада върху него се променя, а не е постоянен, за разлика от компенсиращото го напрежение.

•  последователен ограничител

Схемата на последователния ограничител е следната:

В тази схема диода е включен последователно във веригата. Когато входното напрежение Е е положително диода е отпушен и на изхода на схемата имаме напрежение (напрежението върху съпротивлението R ), пропорционално на входното.

Тази схема има обаче следния недостатък: трябва входното напрежение да бъде по-високо от напрежението на отпушване на диода. Освен това диода създава затихване в изхода на схемата.

Предавателната характеристика изглежда по следния начин:

С червен цвят е показана идеалната характеристика на преобразувателя, а с черен – реалната.

Посочения недостатък може да се преодолее с включването на допълнителен източник на напрежение, който да компенсира пада на напрежение върху диода. Схемата е показана по-долу:

И тази схема обаче не е идеална. Проблема се състои отново в нелинейната предавателна характеристика на диода. Пада върху него не е постоянен, за разлика от компенсиращото напрежение.

•  интегратор

Най-простата схемата на пасивен интегратор е следната:

Изходното напрежение (напрежението върху кондензатора С) се подчинява на следната зависимост:

Предавателната характеристика на тази схема е следната:

С червен цвят е показана идеалната характеристика. Недостатъка на тази схема се дължи на кондензатора – напрежението му се изменя по експоненциален закон: , а не линейно, както бихме искали. Друг недостатък на тази схема е значителното спадане на амплитудата на изходния сигнал спрямо тази на входния. Недостатък е още и голямото изходно съпротивление на схемата.

•  Преобразуватели с операционни усилватели

Схемите с ОУ, които реализирахме на лабораторното упражнение, са дадени по-долу. Общото при всички тях е, че се използва операционния усилвател за да следи и компенсира недостатъците на пасивните преобразуватели, разгледани в началото.

При ограничителите ОУ компенсира пада върху диода V F . Той играе ролята на допълнителния източник – включваме го на мястото на допълнителния източник. Разликата е, че ОУ следи напрежителния пад върху диода (който му се подава на инвертиращия вход) и се стреми на изхода си да го компенсира Така преходната характеристика на тези схеми е максимално близка до идеалната.

•  паралелен ограничител

Схемата на паралелния ограничител с ОУ, която разгледахме беше следната:

•  последователен ограничител

Схемата на последователния ограничител с ОУ, която “изобретихме” беше тази:

•  интегратор

Схемата на интегратора, която изследваше моята подгрупичка беше следната:

Първо изследвахме пасивния интегратор. При подаване на постоянно напрежение +12 V на входа на схемата, наблюдавахме на монитора на персоналния компютър изходното напрежение. За по-добро онагледяване на линейно-нарастващото напрежение включихме към изхода на схемата и аналогов волтметър. Направихме няколко експеримента с различни по стойност кондензатори и резистори. Малко неудобство при тези експерименти беше, че трябваше да разреждаме заредилия се кондензатор ръчно при всеки експеримент. Също така трябваше да синхронизираме разреждането на кондензатора с пускането на системата МИКРОЛАБ, с която наблюдавахме изхода на схемата.

След това реализирахме схемата на активния интегратор, показана по-горе. И за нея направихме няколко експеримента с различна времеконстанта. Очаквахме да наблюдаваме на монитора една идеална преходна характеристика. Но противно на нашите очаквания, това не се сбъдна (е не от първия път). Наложи се да сменим кондензатора. При втория опит наблюдавахме идеално интегриране. Явно кондензатора, с който проведохме първия експеримент имаше големи утечни токове.

Последна редакция May 10, 2005