Интегратор

ДЕТАЛИ И МАТЕРИАЛЫ

• Четыре батареи по 6 вольт.
• Рекомендуется операционный усилитель, модель 1458 (каталог Radio Shack № 276-038)
• Один потенциометр 10 кОм, линейный конус (каталог Radio Shack № 271-1715).
• Два конденсатора по 0,1 мкФ каждый, неполяризованные (каталог Radio Shack № 272-135)
• Два резистора 100 кОм.
• Три резистора по 1 МОм.

Практически любая модель операционного усилителя подойдет для этого эксперимента с интегратором, но я предпочитаю модель 1458 модели 353, потому что 1458 имеет гораздо более высокие входные токи смещения. Обычно высокий входной ток смещения является плохой характеристикой для операционного усилителя в цепи прецизионного усилителя постоянного тока (и особенно в цепи интегратора!). Однако я хочу, чтобы ток смещения был высоким, чтобы его отрицательные эффекты могли быть преувеличены, и чтобы вы узнали один метод противодействия его эффектам.

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ

Уроки электрических цепей , Том 3, глава 8:«Операционные усилители»

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

• Чтобы показать метод ограничения диапазона потенциометра.
• Определить назначение схемы интегратора.
• Чтобы проиллюстрировать, как компенсировать ток смещения операционного усилителя.

СХЕМА

ИЛЛЮСТРАЦИЯ

ИНСТРУКЦИИ

Как видно из принципиальной схемы, потенциометр подключен к « направляющим ”Источника питания через резисторы 100 кОм, по одному на каждом конце. Это необходимо для ограничения диапазона потенциометра, чтобы при полном перемещении производился довольно небольшой диапазон входных напряжений для работы операционного усилителя.

На одном крайнем этапе движения потенциометра на стеклоочистителе потенциометра будет создаваться напряжение около 0,5 В (относительно точки заземления в середине последовательного ряда аккумуляторных батарей). На другом конце движения будет создаваться напряжение около -0,5 вольт. Когда потенциометр установлен в мертвую точку, напряжение стеклоочистителя должно составлять ноль вольт.

Подключите вольтметр между выходной клеммой операционного усилителя и точкой заземления цепи. Медленно перемещайте регулятор потенциометра, контролируя выходное напряжение. Выходное напряжение должно изменяться . со скоростью, определяемой отклонением потенциометра от нулевого (центрального) положения.

Используя термины вычисления, мы бы сказали, что выходное напряжение представляет собой интеграл (относительно времени) функции входного напряжения. То есть уровень входного напряжения определяет скорость изменения выходного напряжения во времени . . Это полная противоположность дифференциации , где производная сигнала или функции - это ее мгновенная скорость изменения.

Если у вас есть два вольтметра, вы можете легко увидеть эту взаимосвязь между входным напряжением и выходным скоростью изменения напряжения . измеряя напряжение стеклоочистителя (между стеклоочистителем потенциометра и землей) одним измерителем, а выходное напряжение (между выходной клеммой операционного усилителя и землей) - другим.

Настройка потенциометра на нулевое напряжение должна привести к наименьшей скорости изменения выходного напряжения. И наоборот, чем больше входное напряжение в эту схему, тем быстрее будет изменяться ее выходное напряжение, или « ramp . »

Попробуйте подключить второй конденсатор емкостью 0,1 мкФ параллельно первому. Это удвоит емкость цепи обратной связи операционного усилителя. Как это влияет на скорость интеграции схемы для любого заданного положения потенциометра?

Попробуйте подключить еще один резистор 1 МОм параллельно входному резистору (резистор, соединяющий стеклоочиститель потенциометра с инвертирующим выводом операционного усилителя). Это будет вдвое меньше входного сопротивления интегратора. Как это влияет на скорость интеграции схемы?

Цепи интегратора - одна из основных функций аналогового компьютера. Соединяя схемы интегратора с усилителями, сумматорами и потенциометрами (делителями), можно моделировать практически любое дифференциальное уравнение и получать решения путем измерения напряжений, возникающих в различных точках сети схем.

Поскольку дифференциальные уравнения описывают очень много физических процессов, аналоговые компьютеры используются в качестве имитаторов. До появления современных цифровых компьютеров инженеры использовали аналоговые компьютеры для моделирования таких процессов, как вибрация оборудования, траектория полета ракеты и реакция системы управления. Несмотря на то, что аналоговые компьютеры считаются устаревшими по современным стандартам, их составляющие компоненты по-прежнему хорошо работают в качестве средств обучения концепциям математического анализа.

Перемещайте потенциометр до тех пор, пока выходное напряжение операционного усилителя не станет как можно ближе к нулю, и двигайте его как можно медленнее. Отсоедините вход интегратора от клеммы стеклоочистителя потенциометра и подключите его вместо заземления, например:

Подача точно нулевого напряжения на вход схемы интегратора в идеале должна привести к тому, что скорость изменения выходного напряжения будет равна нулю. Когда вы вносите это изменение в схему, вы должны заметить, что выходное напряжение остается на постоянном уровне или изменяется очень медленно.

Когда вход интегратора все еще замкнут на землю, закоротите резистор 1 МОм, соединяющий неинвертирующий (+) вход операционного усилителя с землей. В идеальной схеме операционного усилителя не должно быть необходимости в этом резисторе, поэтому, замкнув его, мы увидим, какие функции он обеспечивает в этой самой реальной Схема операционного усилителя:

Как только « заземление Если резистор закорочен перемычкой, выходное напряжение операционного усилителя начнет изменяться или дрейфовать. В идеале этого не должно происходить, потому что на схеме интегратора все еще есть входной сигнал нулевого вольт. Однако в реальных операционных усилителях на каждую входную клемму поступает очень небольшой ток, называемый током смещения . . Эти токи смещения будут падать на любом сопротивлении на своем пути.

Поскольку входной резистор 1 МОм проводит некоторое количество тока смещения независимо от величины входного сигнала, на его выводах будет падать напряжение из-за тока смещения, таким образом « смещение ”Величина напряжения сигнала, наблюдаемого на инвертирующем выводе операционного усилителя. Если другой (неинвертирующий) вход подключен напрямую к земле, как мы сделали здесь, это « смещение »Напряжение, вызванное падением напряжения, вызванным током смещения, приведет к тому, что схема интегратора будет медленно« интегрировать ”, Как если бы он получал очень слабый входной сигнал.

« заземление ”Резистор более известен как компенсирующий резистор . потому что он действует, чтобы компенсировать ошибки напряжения, создаваемые током смещения. Поскольку токи смещения через каждую входную клемму операционного усилителя примерно равны друг другу, равное сопротивление, помещенное на пути каждого тока смещения, будет давать примерно одинаковое падение напряжения. Равные падения напряжения, наблюдаемые на дополнительных входах операционного усилителя, компенсируют друг друга, тем самым сводя на нет ошибку, в противном случае вызванную током смещения.

Удалите перемычку, замыкающую компенсирующий резистор, и обратите внимание, как выход операционного усилителя возвращается в относительно стабильное состояние. Он все еще может дрейфовать, скорее всего, из-за напряжения смещения ошибка в самом ОУ, но это уже другая тема!

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Схема с номерами узлов SPICE:

Список соединений (создайте текстовый файл, содержащий следующий текст, дословно):

 Интегратор постоянного тока 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 

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Таблица схем операционных усилителей переменного тока с отрицательной обратной связью

• Рабочий лист линейных вычислительных схем