Операционный усилитель. Применение операционного усилителя.
Операционный усилитель — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент усиления/передачи полученной схемы.
В настоящее время ОУ получили широкое применение, как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.
На рисунке показано схематичное изображение операционного усилителя. Выводы имеют следующее значение:
-V+ -неинвертирующий вход;
- V- -инвертирующий вход;
- Vout - выход;
-Vs+ плюс источника питания
-Vs- минус источника питания
Электрические схемы на рисунках изображены упрощённо, поэтому следует иметь в виду, что подробности, несущественные для объяснения работы схемы (соединения ОУ с цепями питания, блокировочные конденсаторы в цепях питания, цепи частотной коррекции ОУ, конкретный тип применённого ОУ, нумерация выводов ОУ), опущены.
Резисторы, используемые в данных схемах, имеют типичное сопротивление порядка единиц-десятков килоом. Использование резисторов с сопротивлением менее 1 кОмнежелательно (кроме тех резисторов, которые не создают нагрузки на выход ОУ), так как они могут вызвать чрезмерный ток выходного каскада ОУ, перегружающий выход ОУ. Резисторы с сопротивлениями более 1 МОм, подключённые ко входам ОУ, вносят повышенный тепловой шум и делают схему менее точной из-за влияния входных токов токов ОУ и дрейфа входных токов.
|
|
|
В современной электронике в качестве ОУ в подавляющем большинстве случаев применяются ОУ в монолитном интегральном исполнении, но все рассуждения применимы и для других любых иначе сконструированных ОУ, например, в виде гибридных микросхем.
Операционные усилители применяются в следующих устройствах:
- предусилители и буферные усилители звукового и видеочастотного диапазона;
- компараторы напряжения;
- дифференциальные усилители;
- дифференциаторы и интеграторы;
- фильтры;
- выпрямители повышенной точности;
- стабилизаторы напряжения и тока;
- аналоговые вычислители;
- аналого-цифровые преобразователи;
- цифро-аналоговые преобразователи;
- генераторы сигналов;
- преобразователи ток-напряжение и напряжение-ток.
Измерение частоты, фазы, временных интервалов электрических сигналов.
|
|
|
В зависимости от диапазона измерений и требуемой точности используют различные средства и методы измерений.
Для измерения частоты в узком диапазоне (45—55; 450— 550 Гц и т. д.) при наибольшей частоте 2500 Гц применяют электродинамические и электромагнитные частотомеры. Классы точности электродинамических частотомеров 1; 1,5; электромагнитных частотомеров — 1,5; 2,5.
Для измерения низкой частоты в узком диапазоне (48—52; 45—55 Гц и т. д.) могут применяться резонансные частотомеры. Класс точности таких частотомеров 1—2,5.
В диапазоне высоких и сверхвысоких частот частота может измеряться высокочастотными резонансными частотомерами, в которых, в отличие от электромеханических резонансных частотомеров, используется колебательный контур из катушки индуктивности и конденсатора. Погрешность измерения частоты в этом случае составляет ±(0,05—0,1) %.
Для измерения частоты в широком диапазоне (от 10 Гц до нескольких мегагерц) могут применяться электронные аналоговые частотомеры (см. § 6-3). Класс точности 0,5—2,5.
Для измерения частоты электрических сигналов получил распространение метод сравнения, отличающийся относительной простотой, сравнительно высокой точностью и пригодностью для использования в широком диапазоне частот. Измеряемая частота определяется по равенству или кратности известной частоте. Индикатором равенства или кратности частот может служить электронный осциллограф. Этот способ измерения частоты пригоден для измерения частот в пределах полосы пропускания электронно-лучевой трубки. Измерение частоты можно производить при линейной, синусоидальной и круговой развертках.
|
|
|
При линейной развертке период сигнала измеряемой частоты fx сравнивается с периодом развертки, либо с периодом меток времени калибратора длительности Тм. В первом случае учитывается коэффициент развертки т, (см. § 6-6), а результат измерения частоты fx определяется по формуле fx=1/ml, где lпериод сигнала частоты fx, отсчитанный в делениях шкалы на экране осциллографа. При измерении частоты с помощью меток времени калибратора длительности устанавливают на экране несколько периодов измеряемой частоты и регулируют период меток Тм так, чтобы их изображение попадало в одну и ту же точку каждого периода. В этом случае измеряемая частота fx = 1/(nTм), где n — число меток, находящихся в пределах одного периода исследуемого напряжения. Преимуществом этих способов является возможность исследования колебаний любой формы, недостатком низкая точность: погрешность может достигать ± (5—10) %.
|
|
|
Более точные результаты могут быть получены при сравнении двух колебаний синусоидальной формы методом фигур Лиссажу. На одну из пар отклоняющих пластин осциллографа подают синусоидальное напряжение известной частоты, а на другую — исследуемое напряжение. Изменяя известную частоту, добиваются получения кривой на экране в виде неподвижной или медленно перемещающейся фигуры Лиссажу. По виду фигуры Лиссажу судят о частоте и фазовом сдвиге исследуемого напряжения.
На рис. 15-16 показаны фигуры Лиссажу для нескольких соотношений частот и углов фазового сдвига. Кратность частот при любой форме неподвижного изображения фигуры определяют по числу пересечений изображения фигуры горизонтальной nг и вертикальной nв линиями. Отношение nг/nв =fг/fвгде fг и fв — частоты напряжений, поданных на горизонтально и вертикально отклоняющие пластины соответственно. Если напряжение измеряемой частоты fx подано на вертикально отклоняющие пластины, а напряжение известной, образцовой, частоты f0 — на горизонтально отклоняющие пластины, то fx — f0nг/nв.
Этот метод применяют лишь при относительно небольшой кратности частот, обычно не превышающей 10, так как в противном случае фигуры Лиссажу становятся запутанными и с трудом поддаются расшифровке.
При большей кратности сравниваемых частот предпочтительным оказывается метод круговой развертки. В этом случае два равных напряжения Ux, UY низкой частоты fx с фазовым сдвигом 90° подают на оба входа осциллографа (см. рис. 15-17). Под действием этих напряжений луч на экране описывает окружность с частотой напряжений Ux, UY• Напряжение измеряемой частоты fx подают к электроду, модулирующему яркость электронного луча (канал Z) (см. § 6-6). При кратности частот на экране будет изображение окружности в виде штриховой линии. Число темных или светлых штрихов n равно кратности частот, откуда fx = nf0.
При круговой развертке сравнивать частоты можно до кратности 50, а при фотографировании осциллограммы — до нескольких сотен.
Погрешность осциллографических методов измерения частоты определяется главным образом погрешностью определения f0 и может быть доведена до 10-4—10"6.
В последнее время перечисленные методы и средства измерений частоты все более вытесняются измерением с помощью цифровых частотомеров (см. § 8-3). Выпускаемые промышленностью цифровые частотомеры могут измерять частоту в диапазоне от 0,01 Гц до 17 ГГц. Погрешность цифровых частотомеров главным образом зависит от нестабильности образцового (кварцевого) генератора и меняется от 10-8 до 5• 10-5.
Измерение временных интервалов. Для измерения временных интервалов применяют электронно-лучевые осциллографы и цифровые измерители временных интервалов.
При применении электронно-лучевого осциллографа времен-ной интервал измеряют, используя метки времени калибратора с периодом длительности Гм либо учитывая коэффициент развертки т{. Результат измерения в первом случае определяется по формуле tx = nTм, где п — число меток, находящихся в пределах измеряемого временного интервала. Во втором случае на экране осциллографа определяют временной интервал в делениях шкалы / и результат рассчитывают по формуле tx — mfl. Погрешность измерения временных интервалов в этом случае достигает 5— 10%.
Для измерения временных интервалов однократно протекающих импульсных процессов необходимо применять осциллографы с достаточным послесвечением.
Для измерения временных интервалов очень малой длительности импульсов (10“9—10—10 с) используют стробоскопические осциллографы, принцип действия которых состоит в измерении мгновенных значений повторяющихся сигналов с помощью коротких так называемых стробирующих импульсов напряжения.
Цифровые приборы для измерения временных интервалов являются наиболее точными при измерении относительно больших интервалов (миллисекунды и более). При измерении малых интервалов времени погрешность дискретности, определяемая конечным значением частоты заполнения, может оказаться значительной. Для уменьшения этой погрешности применяют способ растяжения измеряемого интервала в определенное число раз, а при измерении периода колебаний — способ усреднения.
В способе растяжения применяют поочередное интегрирование двух стабилизированных напряжений постоянного тока U\ и U2 различной полярности. Напряжение U\ интегрируется в течение измеряемого интервала времени tx, а напряжение U2 — в течение интервала /*, определяемого от момента окончания интервала tx до момента времени, когда напряжение на выходе интегратора станет равным нулю. Интервалы времени t'x и tx связаны соотношением tx = tx U\/U2-
При способе усреднения измеряется период, больший измеряемого в определенное число раз. Увеличение периода осуществляется с помощью делителя частоты (см. гл. 8). Результатом измерения в этом случае будет среднее значение периода исследуемого колебания.
При измерении длительности коротких (десятки наносекунд) однократных импульсов применяют нониусный способ измерения.
Измерение фазового сдвига. Для измерения фазового сдвига между напряжением и током нагрузки в цепях промышленной частоты применяют электродинамические фазометры (см. § 5-3) классов точности 0,2; 0,5.
В симметричных трехфазных цепях коэффициент мощности может измеряться специальными трехфазными фазометрами, классы точности которых 1,5; 2,5.
В несимметричной трехфазной цепи измеряют фазовые сдвиги между напряжением и током в каждой фазе отдельно. При этом токовые зажимы фазометра включают последовательно в фазу трехфазной цепи, а потенциальные — между фазой и нулевой точкой трехфазной цепи. Если нулевая точка недоступна, то ее создают искусственно (см. § 15-2).
Большое распространение получили цифровые фазометры, имеющие частотный диапазон входных напряжений до 150 МГц. Приведенная погрешность цифровых фазометров ±(0,1 — 0.5) %.
Для измерения фазового сдвига применяют электронно-луче-вые осциллографы. Проще всего измерения фазового сдвига выполняют с помощью двухлучевых или двухканальных осциллографов. В этом случае на экране получают изображение двух напряжений, что дает возможность измерить временной сдвиг tx между напряжениями и период Тх и оценить фазовый сдвиг (в градусах) по формуле фх = 360tx/Tx. Погрешность измерения Ф* определяется погрешностью измерения tx и Тх и может достигать ± (5—10) %.
Фазовый сдвиг может быть измерен также с использованием фигур Лиссажу. На рис. 15-18 показаны фигуры Лиссажу, получающиеся при подаче на два входа X и Y осциллографа двух синусоидальных напряжений Ux и Uy одинаковой частоты при разных фазовых сдвигах.
Значение фазового сдвига 9=arcsin {Б/А), где А и Б — отрезки осей координат, определяемые по изображению. Погрешность определения фазового сдвига составляет ±(5—10) %.
Более высокую точность измерения можно получить, используя электронно-лучевой осциллограф как нуль-индикатор. В этом случае между источником одного напряжения (положим, Uх) и соответствующим входом осциллографа (X) включается фазовращающее устройство. Фазовый сдвиг регулируется фазовращающим устройством до тех пор, пока фигура Лиссажу на экране осциллографа не превратится в прямую линию. Измеряемый фазовый сдвиг в этом случае отсчитывается по шкале фазовращателя.
Для измерения фазового сдвига, а также коэффициента мощности (или косинуса угла сдвига) можно воспользоваться также косвенным методом трех приборов: амперметра, вольтметра и ваттметра. Недостатком этого метода является суммирование погрешностей отдельных средств измерений и необходимость одновременного отсчета показаний трех приборов и вычисления значения искомой величины.
Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 379; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!