Интегратор

5598
0
30 сентября 2009
Для схемы данного интегратора подойдёт практически любая модель операционного усилителя, но в списке необходимых компонентов указана модель 1458, так как входные токи смещения этого ОУ гораздо выше. Как правило, высокий входной ток смещения считается плохой стороной того или иного операционного усилителя, если он используется в схеме усилителя постоянного тока (и особенно в схеме интегратора!).
Однако, если ток смещения будет высоким и его негативное воздействие на схему будет преувеличено, то вам будет легче понять принципы нейтрализации эффектов подобного рода.

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ

  • Четыре 6-вольтовых батарейки

  • Операционный усилитель, рекомендуется модель 1458 (каталожный номер Radio Shack 276-038)

  • Один потенциометр 10 кОм с линейной функциональной характеристикой (каталожный номер Radio Shack 271-1715)

  • Два конденсатора 0,1 мкФ, неполяризованные (каталожный номер Radio Shack 272-135)

  • Два резистора 100 кОм

  • Три резистора 1 МОм

Цели эксперимента

  • Изучение способов ограничения диапазона потенциометра

  • Назначение интегратора

  • Способы компенсации тока смещения операционного усилителя

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА

05212.png
 

РИСУНОК

05213_show.png

ИНСТРУКЦИИ

Как видно по схеме, потенциометр соединён с источником питания через резисторы 100 кОм, — по одному резистору с каждой стороны. Это необходимо для ограничения диапазона регулировки потенциометра, для того чтобы на полный оборот движка потенциометра мы имели небольшой диапазон входного напряжения для работы операционного усилителя. В одном крайнем положении будет создано напряжение примерно 0,5 В (по отношению к земле — точке между двумя соединёнными последовательно батарейками), а в другом крайнем положении будет создано напряжение примерно — 0,5 В. В центральном положении напряжение должно быть нулевым.

Включите вольтметр между выходом операционного усилителя и землёй схемы. Медленно поворачивайте движок потенциометра и наблюдайте за изменением выходного напряжения. Выходное напряжение должно изменяться со скоростью, пропорциональной отклонению от центрального положения. Если использовать математические термины, то мы можем сказать, что выходное напряжение пропорционально интегралу (по времени) от входного сигнала. Например, если подать на вход постоянное напряжение (отрицательное), то напряжение на выходе будет линейно возрастать (интеграл от константы есть прямая линия). Входной сигнал можно подать и на неинвертирующий вход — получим неивертирующий интегратор. Полученное устройство представляет собой противоположность дифференциатора, который дифференцирует (инвертированный) входной сигнал по времени.

Если у вас в наличии есть два вольтметра, то вы можете увидеть отношение между входным сигналом и скоростью изменения выходного напряжения, измеряя напряжение между потенциометром и землёй с помощью первого вольтметра и выходное напряжение (между выходом ОУ и землёй) — с помощью другого. При настройке потенциометра на 0 вольт изменение выходного напряжения по времени должно замедлиться. И наоборот: чем выше входное напряжение, тем с большей скоростью будет измененяться напряжение.

Теперь установите второй конденстаор 0,1 мкФ параллельно с первым. При этом ёмкость петли обратной связи операционного усилителя будет удвоена. Какой эффект окажет это изменение на скорость интегрирования при каждом данном положении потенциометра?

Теперь установите другой резистор 1 МОм параллельно с входным резистором (резистором, соединяющим потенциометр с инвертирующим входом операционного усилителя.) Это сократит вдвое входное сопротивление интегратора. Какой это окажет эффект на скорость интегрирования?

Интеграторы являются фундаментальными «строительными блоками» аналоговых вычислительных машин. При объединении интегратора с усилителями, аналоговым сумматором и потенциометрами (делителями), можо смоделировать практически любое дифференциальное уравнение, и в практических устройствах снимаются напряжения, получаемые в различных точках схемы. Аналоговые вычислительные машины часто используются для построения моделей, поскольку дифференциальные уравнения описывают множество физических процессов. До изобретения современных цифровых компьютеров, инженеры применяли аналоговые вычислительные машины для моделирования таких процессов как механическая вибрация, траектория движения ракет и т. п. Хотя сегодня аналоговые вычислительные машины считаются устаревшими, образующие их компоненты вполне подходят для изучения основных концепций дифференциального и интегрального исчисления.

Вращайте потенциометр до тех пор, пока выходное напряжение не будет близко к нулю. Отсоедините потенциометр от входа интегратора и соедините его с землёй как показано на рисунке:

05214.png
 

05215_show.png

При приложении на вход интегратора нулевого напряжения в идеале мы должны получить нулевое изменение напряжения на выходе. Вы должны теперь отметить, что выходное напряжение остаётся постоянным или же изменяется очень медленно.

Со всё ещё соединённым входом интегратора с землёй, закоротите резистор 1 МОм (соединив с землёй неинвертирующи выход операционного усилителя). В идеальном операционном усилителе нет необходимости в этом резисторе, и закоротив его вы поймёте, какую функцию он выполянет в нашей схеме.

05216.png

05217_show.png

После того как резистор закорочен, выходное напряжение операционного усилителя начнёт изменяться. В идеале этого не должно происходить, поскольку на входе интегратора нулевое напряжение, однако в реальных операционных усилителях на каждый вход поступает некоторый ток, называемый током смещения. Эти токи смещения будут вызывать падение напряжения при наличии на их пути резистора. Поскольку резистор 1 МОм проводит некоторый ток смещения в независимости от амплитуды входного сигнала, на нём будет происходить падение напряжения, при этом будет происходить «смещение» напряжение сигнала, поступающего на инвертирующий вход операционного усилителя. Если другой (неинвертирующий) вход соединён непосредственно с землёй (как в данной схеме), то данное напряжение «смещения», вызванное падением напряжения, приведёт к тому, что на выходе схемы будет происходить медленное «интегрирование», как если бы интегратор принимал очень слабый входной сигнал.

Этот «заземляющий» резистор более известен как компенсирующий резистор, поскольку он компенсирует погрешности по напряжению, вызываемые током смещения. Так как токи смещения на каждом входе операционного усилителя приблизительно равны, то резисторы одного номинала на каждом пути тока смещения будут создавать примерно одинаковое падение напряжения. Равные падения напряжения на входах операционного усилителя взаимно «уничтожатся», что обнулит погрешности, которые могли бы быть вызваны током смещения.

Снимите проволочную перемычку, закорачивающую компенсирующий резистор и обратите внимание на то, как выход ОУ возвращается к относительно стабильному состоянию. Возможно, будет наблюдаться некоторый дрейф, вызванный скорее всего напряжением смещения самого операционного усилителя.
 

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Схема и SPICE-модель с номерами узлов:

05218.png

Список соединений (создать текстовый файл, содержащий следующий текст без изменений):

DC integrator
vinput 1 0 dc 0.05
r1 1 2 1meg
c1 2 3 0.1u ic=0
e1 3 0 0 2 999k
.tran 1 30 uic
.plot tran v(1,0) v(3,0)
.end


Тактические и профессиональные фонари. В первую очередь, это светотехнические средства, пригодные для применения в экстремальных и сложных условиях, а так же техника, оптимизированная для узкого спектра задач, например подствольные фонари или фонари для дайвинга.
9552 0
Активная распределенная антенная система представляет собой двунаправленный репитер, который усиливает и дублирует выходной сотовый сигнал внутри одного помещения. Усиленный сигнал дублируется с помощью внутренней антенны. Подобным образом дублируется сотовый сигнал и за пределами здания.
3737 0
В ходе данного эксперимента будет собран звуковой усилитель, который можно использовать для усиления выходного сигнала небольшого радиоприёмника, CD-плеера или другого источника звуковых сигналов. Для обработки стереофонического сигнала необходимо собрать два идентичных усилителя, - один для левого канала, а другой - для правого.
12520 0

    Вы должны авторизоваться, чтобы оставлять комментарии.

    При использовании материалов данного сайта прямая и явная ссылка на сайт radiomaster.ru обязательна. 0.3534 s