ИЗСЛЕДВАНЕ НА АКТИВЕН ИНТЕГРАТОР

ИЗСЛЕДВАНЕ НА АКТИВЕН ИНТЕГРАТОР.

Цел на работата: Да се проучи устройството и работата на активния интегратор.

Придобийте умения за компютърна симулация на радиоелектронни устройства с помощта на програмата ElectronicsWorkbench и умения за провеждане на пълномащабен експеримент и работа с радиоизмервателни инструменти. Потвърдете представителността на компютърната симулация с помощта на пълномащабен експеримент.

Устройства и материали: PC 486 модели, флопи диск 3.5``,

модел активен интегратор, нискочестотен генератор G3112, два електронни миливолтметъра, двулъчев осцилоскоп, фазомер, коаксиален тройник, свързващи коаксиални кабели.

Кратка теория. Интеграторът е обратното на диференциатора. Той

извършва противоположната математическа операция – интегриране. Активният интегратор е интегриращ усилвател. Нашата схема е проектирана на базата на операционния усилвател µA741 (140UD7)

Изходното напрежение на веригата се дава от:

U out = R 1 C ∫ t U in dt

Грешката на интегриране поради крайната стойност на печалбата се определя по формулата:

където t е времето за интегриране, R in = 400 kOhm.

От този израз е възможно да се определи стойността на съпротивлението на резистора R1 и капацитета на кондензатора C1, които при даден момент на интегриране осигуряват необходимата точност на интегриране. Интегриращият усилвател е стабилен, когато капацитетът на кондензатора C1 се промени от 100 pF на 20 μF.

Същността на интеграционния процес е следната. Кондензаторът се зарежда импулсно през резистора за ограничаване на тока и след това се разрежда през съпротивлението на товара. С увеличаването на честотата неговият капацитет се увеличава. Така при интегриранеима намаляване на скоростта на изменение на сигнала и изглаждане на фронта и края на импулсите. След това импулсната енергия се преразпределя в полза на

нискочестотни компоненти на сигнала. Интегриращата верига се характеризира с времеконстантата τ=R 1 C 1

Активният интегратор има огромно предимство пред пасивния. Той се доближава до идеалния интегратор толкова по-силен, колкото по-голямо е усилването на напрежението на неговия операционен усилвател. В този случай грешката на интегриране е по-малка от тази на пасивната верига с коефициент, равен на усилването на напрежението на операционния усилвател при същото изходно напрежение U out =U in t/RC, тоест със същото време на интегриране. Печалбата в точността може да се тълкува по различен начин: със същите допустими грешки интегрирането от операционен усилвател с постоянно ниво може да продължи Kun пъти по-дълго време t от пасивно, което осигурява Kun пъти по-голямо изходно напрежение.

Ето как нашият интегратор изглежда в работния прозорец на програмата

Electronics Workbench v.5.12.

Нека да разгледаме вълновите форми на входния и изходния сигнал. Входната квадратна вълна е показана в синьо в горната половина на екрана, а изходната реакция на веригата е показана в червено в долната половина на екрана.

При достатъчно малък капацитет на интегриращия кондензатор от 1000 pF интегрирането не се извършва. Импулсите преминават през него без промяна, тоест кондензаторът работи като сепаратор, а интеграторът като усилвател.

С увеличаване на капацитета на интегриращия кондензатор степента на интегриране на импулсите се увеличава. При 0,05 uF се постига пълна интеграция.

На тази снимка виждаме резултата от непълната интеграция на меандъра. Капацитет 6800 pF.

Сеганека да разгледаме честотната характеристика и фазовата характеристика на нашия интегратор и да се уверим, че той едновременно е и нискочестотен филтър.

На честотната характеристика се вижда ясно блокиране на високите честоти, тоест интеграторът е нискочестотен филтър.

Редът на работата. Първо се извършва компютърна симулация, а след това пълномащабен експеримент. Включете компютъра, заредете програмата EWB, отворете файла "active integrator.ewb". Път на файла Устройство C:\Program Files\Ewb512\Circuits\Schematics\Active Integrator.ewb. Стартирайте процеса на симулация, като щракнете с левия бутон на мишката върху превключвателя, разположен в горния десен ъгъл на екрана. Активирайте осцилоскопа, като щракнете вляво

щракнете върху иконата му в диаграмата и изберете елемента „Отвори“ в менюто, което се показва. На осцилоскопа регулирайте вертикалното отклонение на лъчите, скоростта на движение, отместванията по осите X и Y, така че да е удобно да наблюдавате сигналите на входа и изхода на веригата. Параметрите на меандъра, подавани от функционалния генератор: честота 150 Hz, амплитуда 1V.

Извиквайки контекстното меню, като щракнете с десния бутон върху интегриращия кондензатор и изберете елемента "Свойства на компонента", променете последователно капацитета на кондензатора, като изберете стойностите 1000 pF, 6800 pF, 0,05 uF. Как това променя външния вид на осцилограмата?

Използвайки прозореца от меню "Анализ",

премахнете честотната характеристика и фазовата характеристика на интегратора с всеки от кондензаторите. По формата на честотната характеристика докажете, че той е и нискочестотен филтър.

ВНИМАНИЕ! ПРЕДИ ДА ПРИКЛЮЧИТЕ ПРОГРАМАТА EWB, ЗА ДА ИЗБЕГНЕТЕ ПРОМЕНИ, НАПРАВЕНИ ВЪВ ФАЙЛОВЕТЕ НА СХЕМИ ПО ВРЕМЕ НА ЛАБОРАТОРИЯТА, ПРЕМАХНЕТЕ ТЕЗИ ПРОМЕНИ ИЛИ ИЗБЕРЕТЕ ОПЦИЯТА „ВРЪЩАНЕ КЪМ ЗАПАЗЕНО“ YONNOMU) В

МЕНЮ ФАЙЛ ИЛИ ПРИ ИСКАНЕ „ЗАПАЗВАНЕ НА ПРОМЕНИТЕ…? (ЗАПАЗВАНЕ НА ПРОМЕНИТЕ В СХЕМАТА?) ОТГОВОР „НЕ“.

СегаДа преминем към естествен експеримент. Необходимо е да свържете оформлението на активния интегратор към захранването. Свържете осцилоскоп към входа и изхода на активния интегратор. На осцилоскопа регулирайте вертикалното отклонение на лъчите, скоростта на движение, отместванията по осите X и Y, така че да е удобно да наблюдавате сигналите. Като завъртите дръжката на бисквитения превключвател и включите различни кондензатори в интегриращата верига, наблюдавайте промените в картината на екрана на осцилоскопа. Сравнете резултатите от естествен експеримент и компютърна симулация.

Сега трябва да вземете честотната характеристика три пъти в различни позиции на превключвателя за бисквити, като зададете хармоничен сигнал от генератора на постоянно ниво на входа на диференциатора, контролирайки го с първия миливолтметър и измервайки нивото на изходния сигнал с втория електронен миливолтметър на честоти

10.100, 1000 Hz, 1, 10, 20, 200, 500 kHz

Използване на критерия за ниво

граничната честота на интегратора като нискочестотен филтър и сравнете с резултата от компютърната симулация. Как промяната на капацитета влияе на граничната честота?

Сега, с помощта на фазомер, е необходимо да премахнете три фазови характеристики в същите точки като честотната характеристика и да я съставите по същия начин в отчета.

1. Какъв е физическият смисъл на интеграционния процес?

2. Как времеконстантата на интегриращата верига влияе върху процеса на диференциране?

3. Как могат да се обяснят честотно-селективните свойства на интегратора?

4. Как операционният усилвател влияе върху процеса на интегриране?

1. Имам Jiri. Операционни усилватели: пер. от английски. – М.:

Мир, 1982. - 512 с., ил.

2. Kar J. Проектиране и производство на електронно оборудване: TRANS. от английски. - изд. стереотип, - М.: Мир, 1986. - 387 с., ил.

Кардашев Г.А. Виртуална електроника. компютърсимулация на аналогови устройства. - М .: Гореща линия - Телеком, 2002. - 260 с., ил.

3. Карлащук В.И. Електронна лаборатория на IBM PC. Програма Electronics Workbench и нейното приложение. -

М.: Солон - Р, 2001 - 726 с., ил.

4. Опадчи Ю.Ф. и др.. Аналогова и цифрова електроника (пълен курс): Учебник за университети / Ю.Ф. Опадчи, О.П. Глудкин, А.И. Гюров; Изд. О.П. Глудкин. - М .: Гореща линия - Телеком, 2002. - 768 с., ил.