Лаборатория точного интегратора на ОУ: компенсация тока смещения и аналоговые вычисления

ДЕТАЛИ И МАТЕРИАЛЫ

• Четыре батареи 6 В
• Операционный усилитель (модель 1458, каталог Radio Shack #276‑038)
• Потенциометр 10 кОм линейного типа (Radio Shack #271‑1715)
• Два конденсатора 0.1 мкФ неполярных (Radio Shack #272‑135)
• Два резистора 100 кОм
• Три резистора 1 МОм

 

Любой современный ОУ подойдёт для этого интегратора, но здесь выбран LM1458, потому что его высокий ток смещения входов усиливает эффекты, которые вы научитесь компенсировать. Хотя высокие токи смещения обычно нежелательны в точных схемах, они служат учебной цели в этой демонстрации.

 

ПЕРЕКРЁСТНЫЕ ССЫЛКИ

Lessons in Electric Circuits, Том 3, Глава 8: «Операционные усилители».

 

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

• Продемонстрировать технику ограничения эффективного диапазона потенциометра.
• Объяснить функциональную роль интегратора в обработке сигналов.
• Иллюстрировать компенсацию токов смещения ОУ.

 

СХЕМА

 

 

ИЛЛЮСТРАЦИЯ

 

 

ИНСТРУКЦИИ

На схеме потенциометр подключен к шинам питания через два резистора 100 кОм. Эта конфигурация ограничивает выходной диапазон потенциометра, обеспечивая, что полный оборот ручки даёт лишь небольшое качание ±0.5 В относительно средней точки опоры.

Когда движок в крайнем левом положении, выходное напряжение составляет примерно +0.5 В; в крайнем правом — ≈ –0.5 В. Центрированный движок даёт нулевую опору.

Подключите вольтметр между выходом ОУ и землёй схемы. Медленно вращайте потенциометр, наблюдая за выходным напряжением. Выход должен меняться со скоростью, определяемой отклонением движка от центра — фактически интегрируя входной сигнал во времени.

Вторым вольтметром можно одновременно отображать напряжение на движке (вход) и выходное напряжение, делая видимой связь вход-скорость.

Установка потенциометра на ноль вольт должна минимизировать скорость изменения выхода. Уход от нуля увеличивает крутизну рампы.

Попробуйте добавить второй конденсатор 0.1 мкФ параллельно первому. Удвоение емкости в цепи обратной связи замедляет скорость интегрирования, удлиняя рампу для данного положения движка.

Добавление четвёртого резистора 1 МОм параллельно входному резистору уменьшает эффективное входное сопротивление вдвое, ускоряя интегрирование. Эти вариации помогают проиллюстрировать, как значения компонентов влияют на временную постоянную интегратора.

Интеграторы — основные элементы аналоговых компьютеров. В сочетании с усилителями, суммирующими узлами и переменными делителями они могут моделировать почти любое линейное дифференциальное уравнение, позволяя инженерам решать уравнения, наблюдая за уровнями напряжения.

Исторически аналоговые компьютеры моделировали сложные явления — динамику транспортных средств, ракетные траектории, ответы систем управления — до появления цифровых систем. Хотя они в основном вытеснены, составляющие цепи остаются ценными учебными инструментами для визуализации понятий исчисления.

Далее, поверните потенциометр так, чтобы выходное напряжение было максимально близко к нулю, затем отключите вход и замкните инвертирующий вход на землю, как показано:

 

 

При точном нулевом входе выход интегратора идеально должен оставаться постоянным. На практике вы заметите, что выход медленно дрейфует, потому что реальные ОУ имеют крошечные токи смещения, текущие в каждый вход.

Замкните резистор 1 МОм, заземляющий неинвертирующий вход. Этот «компенсирующий резистор» совпадает с путем тока смещения на обоих входах, отменяя смещённое напряжение, которое иначе интегрировалось бы. Когда резистор замкнут, выход начинает дрейфовать; при повторном подключении стабильность восстанавливается.

После восстановления компенсирующего резистора выход может всё ещё слегка дрейфовать из-за ошибки напряжения смещения ОУ — продвинутая тема, выходящая за рамки этой лаборатории.

 

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

SPICE-схема с номерами узлов

 

Список соединений (скопируйте текст ниже в файл .cir):

 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 

 

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ

• Рабочий лист по схемам ОУ с переменной обратной связью
• Рабочий лист по линейным вычислительным схемам