Интерфейсные схемы на операционных усилителях

СБОРНИК ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРВИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ»

 

Смоленск     2021

УДК 621.396 (076.5)

 Т 46

 

Утверждено учебно-методическим Советом филиала ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске в качестве учебно-методического пособия для студентов очной формы обучения (квалификация (степень) «бакалавр») по направлению подготовки 09.03.01  «Информатика и вычислительная техника», профиль подготовки «Автоматизированные системы обработки информации и управления»

.

 

Подготовлено на кафедре вычислительной техники

 

 

Рецензент

канд. техн. наук, доцент филиала ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске

 Ю.И. Пучков

 

 

Тихонов, В.А. Сборник лабораторных работ по дисциплине «Преобразователи первичной информации»: методические указания [Электронный ресурс] / В.А. Тихонов – Смоленск: РИО филиала ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске, 2021. – 20 с.

Сборник лабораторных работ посвящен изучению типовых устройств сопряжения объектов управления и контроля с вычислительными системами. Лабораторные работы включают изучение схем построения и характеристик устройств сопряжения на основе интегральных операционных усилителей, методов линеаризации выходных характеристик датчиков, типовых структур построения аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей. Продолжительность выполнения каждой работы – 4 часа. Продолжительность домашней подготовки - 1 – 2 часа.

 

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИНТЕРФЕЙСНЫЕ СХЕМЫ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

 

Цель работы: изучение типовых интерфейсных схем на операционных усилителях с использованием среды моделирования

 

Теоретическое введение

Для подключения датчика к процессорному устройству, как правило, требуются промежуточные согласующие устройства – интерфейсные устройства. Составной частью практически всех современных интерфейсных устройств являются операционные усилители (ОУ). Разработаны типовые схемы интерфейсных устройств, реализованные на ОУ.

На рисунке 1.1 представлена типовая схема инвертирующего усилителя. Коэффициент усиления инвертирующего усилителя Кин определяется следующим выражением

 

                                  .                                   (1.1)

	Rос

                     

Рисунок 1.1 – Инвертирующий усилитель

 

Сопротивление  выбирается из условия ослабления влияния входных токов ОУ на работу инвертирующего усилителя, то есть

 

                                        .                              (1.2)

 

Входное сопротивление инвертирующего усилителя равно Rг.

Схема неинвертирующего усилителя изображена на рисунке 1.2. Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя Книн равен

 

                                  .                                 (1.3)

 

Вычитание напряжений осуществляется типовым дифференциальным усилителем, изображенным на рисунке 1.3. Дифференциальный усилитель усиливает разность напряжений между входами Вх1 и Вх2. Соотношение резисторов  дифференциального усилителя определяется условием

 

.                                         (1.4)

 

Рисунок 1.2 – Неинвертирующий усилитель

                               

Рисунок 1.3 – Дифференциальный усилитель

 

Коэффициент усиления дифференциального усилителя Кду  равен

 

                                  .                                       (1.5)

 

Рабочее задание

Содержание отчета

1. Изученные типовые схемы усилителей в соответствии и пунктами рабочего задания.

2. Результаты расчета и исследования моделей.

 

Контрольные вопросы

1. Пояснить работу изученных типовых схем усилителей.

2. Как рассчитать коэффициенты усиления типовых схем усилителей?

3. Входные сопротивления типовых схем усилителей.

4. Как измерить коэффициент усиления типовой схемы усилителя?

5. Как измерить входное сопротивление типовой схемы усилителя?

6. Как измерить коэффициент подавления синфазной составляющей?

7. Способы уменьшения смещения нуля типовых схем усилителей.

8. Как повысить входное сопротивление дифференциального усилителя?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Цель работы: изучение типовых схем измерительных выпрямителей с использованием среды моделирования

 

Теоретическое введение

В устройствах сопряжения при работе с напряжениями переменного тока используются высокоточные измерительные выпрямители на ОУ. На рисунке 2.1 изображена схема однополупериодного выпрямителя. Коэффициент передачи по амплитуде однополупериодного выпрямителя Квып определяется следующим образом

 

                                .                                    (2.1)

 

 

Выход

 

Рисунок 2.1 – Однополупериодный выпрямитель

 

Рабочее задание

1.1 Построить в среде моделирования однополупериодный выпрямитель на основе операционного усилителя со следующими параметрами:

входное сопротивление – 10 Ком,

выходное напряжение –  положительное,

коэффициент усиления – номер рабочего места,

напряжения питания –  +15В, - 15В.

1.2 Изучить работу выпрямителя, сняв с помощью осциллографа эпюры напряжений на входе и выходе выпрямителя, на выходе операционного усилителя.

1.3 Измерить коэффициент передачи выпрямителя.

1.4 Построить однополупериодный выпрямитель с отрицательным выходным напряжением. Снять эпюры напряжений в характерных точках выпрямителя.

2.1 Построить двухполупериодный выпрямитель на основе однополупериодного выпрямителя и суммирующего усилителя со следующими параметрами:

входное сопротивление – 10 Ком,

выходное напряжение –  положительное,

коэффициент усиления – 1,

напряжения питания –  +15В, - 15В.

2.2  Изучить работу выпрямителя, сняв эпюры напряжений в характерных точках.

2.3  Построить двухполупериодный выпрямитель с отрицательным выходным напряжением. Убедиться в работоспособности схемы, сняв эпюры напряжений в характерных точках выпрямителя.

 

Содержание отчета

1. Изученные типовые схемы выпрямителей в соответствии с пунктами рабочего задания.

2. Результаты исследования моделей измерительных выпрямителей.

 

Контрольные вопросы

1. Какие резисторы двухполупериодного выпрямителя определяют его коэффициент передачи по амплитуде?

2. Какие элементы выпрямителя определяют коэффициент пульсаций?

3. Объясните эпюры напряжений однополупериодного выпрямителя.

4. Объясните эпюры напряжений двухполупериодного выпрямителя.

5. Какое входное сопротивление однополупериодного выпрямителя?

6. Какое входное сопротивление двухполупериодного выпрямителя?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

Теоретическое введение

Для преобразования физической величины, измеряемой датчиками информации, в электрический сигнал широко используются мостовые схемы. На рисунке 3.1 представлена мостовая схема преобразователя активного сопротивления в электрический сигнал. Достоинством мостовой схемы является возможность изменять аддитивную составляющую выходного напряжения Uвых. Основной недостаток мостовой схемы – отсутствие общей точки источника питания Есс и выходного напряжения, что затрудняет сопряжение с вычислительными устройствами. Избежать этого недостатка позволяют мостовые схемы с усилителями. Для этой цели используются неравновесные и равновесные мостовые схемы. Неравновесная мостовая схема содержит дифференциальный усилитель, подключаемый к выходу моста. Для обеспечения высокой линейности преобразования необходимо обеспечить большое входное сопротивление дифференциального усилителя.

 

Рисунок 3.1 – Мостовая схема

 

На рисунке 3.2 представлена равновесная мостовая схема. Подключение усилителя с обратной связью к выходу моста позволяет получить разность Uа – Ub практически равной нулю, то есть устанавливает мост в равновесное состояние. Наличие обратной связи в неравновесной мостовой схеме существенно повышает сопротивление нагрузки моста и практически не приводит к ухудшению линейности преобразования.

Коэффициент передачи усилителя для равновесной мостовой схемы определяется выражением

                           ,                                     (3.1)

где

                               (3.2)

 

R3 R2     b а   R1

R4

Uвых

Есс

R0+∆R

 

Рисунок 3.2 – Мостовая равновесная схема

 

Для оценки нелинейности характеристики (рисунок 3.3) обычно используют значение приведенной погрешности δ_пр, определяемой выражением (3.3)

Рисунок 3.3 – Реальная выходная характеристика y_р (х) и идеальная выходная характеристика y_и(х)

                           ,                          (3.3)

где               x)),                                (3.4) 

 

                     (3.5)

Входным параметром х  является измеряемое сопротивление R= R0+∆R, выходным (y) – напряжение. Значению x_min соответствует R0.

 

Рабочее задание

1.1. Построить модель мостовой схемы (рисунок 3.1), задавая R2=R3=1Ком, R1=R0=100 Ом. Снять характеристику мостовой схемы Uвых(∆R) при ∆R= 0, 10… 100 Ом.

1.2. Определить нелинейность характеристики. В качестве идеальной характеристики использовать прямую, проведенную через две крайние точки.

2.1. Построить модель неравновесной мостовой схемы с дифференциальным усилителем (резисторы на входах усилителя с номиналом 1Ком, коэффициент усиления – номер рабочего места). Снять характеристику Uвых (∆R), ∆R= 0, 10… 100 Ом. Напряжение Есс не должно приводить к насыщению усилителя.

2.2. Определить нелинейность характеристики (см. п.1.2).

3.1. Построить модель равновесной мостовой схемы (рисунок 3.2), приняв R4=10Ком. Подстроить резистор R1, чтобы получить Uвых (∆R=0)=0. Снять характеристику Uвых (∆R), задавая ∆R= 0, 10… 100 Ом.

3.2. Определить нелинейность характеристики.

4.1. Построить модель равновесной мостовой схемы, поменяв входы подключения усилителя к мостовой схеме (а и b). Подстроить резистор R1. Снять характеристику Uвых(∆R), задавая ∆R= 0, 10… 100 Ом.

4.2. Определить нелинейность характеристики.

5. Сделать выводы о проделанной работе.

 

Содержание отчета

1. Смоделированные мостовые схемы.

2. Результаты расчетов.

3. Выводы по результатам моделирования и расчетов.

 

Контрольные вопросы

1. Достоинства и недостатки мостовой схемы преобразования сопротивления в напряжение.

2. Достоинства и недостатки неравновесной мостовой схемы.

3. Достоинства и недостатки равновесной мостовой схемы.

4. Как изменить коэффициент передачи мостовых схем?

5. Как изменить аддитивную составляющую характеристики вход-выход мостовых схем?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

Теоретическое введение

При построении датчиков информации широко используются сенсорные чувствительные элементы, выходным информационным параметром которых является сопротивление. Линеаризация характеристик таких датчиком в ряде случаев осуществляется с помощью дополнительного резистора. При этом используется две основные схемы линеаризации: последовательная и параллельная. На рисунке 4.1 представлена схема последовательной линеаризации. Выходное напряжение U (х) определяется выражением

 

 ,                                                                           (4.1)

 

где x – измеряемая физическая величина, R (x) – сопротивление сенсорного элемента в функции х, R 0 – дополнительный резистор.

Рисунок 4.1 – Схема последовательной линеаризации

 

На рисунке 4.2 изображена схема реализации параллельной линеаризации, выходное напряжение U (х) для которой определяется следующим образом

 ,                                                           (4.2)

где I_o – опорный ток.

Рисунок 4.2 – Схема параллельной линеаризации

 

Выбор типа линеаризации зависит от схемы включения датчика.

Подбор сопротивления резистора R0 позволяет существенно уменьшить нелинейность выходной характеристики.

 

Рабочее задание

Содержание отчета

1. Смоделированные схемы.

2. Результаты расчетов.

3. Выводы по результатам расчетов.

 

Контрольные вопросы

1. Объяснить методику линеаризации датчиков информации.

2. Для каких датчиков применима рассмотренная линеаризация?

3. Какая линеаризация предполагает использование источника напряжения?

4. Какая линеаризация предполагает использование источника тока?

5. Как выбрать резистор R1 в мостовой схеме?

6. Как выбирается значение напряжения питания мостовой схемы в линеаризованном преобразователе?

7. Как изменить коэффициент передачи мостового преобразователя?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

Теоретическое введение

1. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) служат для преобразования информации из цифровой формы в аналоговый сигнал. ЦАП широко применяется в различных устройствах автоматики для связи цифровых ЭВМ с аналоговыми элементами и системами.

Принцип работы ЦАП состоит в суммировании аналоговых сигналов, пропорциональных весам разрядов входного цифрового кода, с коэффициентами, равными нулю или единице в зависимости от значения соответствующего разряда кода.

ЦАП преобразует цифровой двоичный код  в аналоговую величину, обычно напряжение U_вых. Каждый i -й разряд двоичного кода имеет вес вдвое больше, чем вес более младшего (i-1)-го разряда. Работу ЦАП можно описать следующей формулой:

U_вых=e· (Q₁ ·1+Q₂.·2+Q₃·4+Q₄·8+…),                                      (5.1)

где e - напряжение, соответствующее весу младшего разряда, Q_i - значение i -го разряда двоичного кода (равное 0 или 1), Q ₁ - младший разряд.

Упрощенная схема реализации ЦАП представлена на рисунке 5.1. В схеме i –й ключ замкнут при Q_i=1, при Q_i=0 – разомкнут. Резисторы подобраны таким образом, что R>>Rн.

Рисунок 5.1 - Схема цифро-аналогового преобразователя

Содержание отчета

1. Смоделированные схемы.

2. Осциллограммы в соответствии с пунктами рабочего задания.

3. Выводы по результатам исследований.

 

Контрольные вопросы

1. Как определить вес младшего разряда ЦАП?

2. Как подстроить ЦАП?

3. Достоинства и недостатки АЦП последовательных приближений.

4. Достоинства и недостатки параллельного АЦП.

5. Как подстроить АЦП?

6. Основные блоки параллельного АЦП.

7. Основные блоки АЦП последовательных приближений.

8. Объяснить осциллограммы в характерных точках АЦП последовательных приближений.

9. Как по осциллограмме на выходе ЦАП в АЦП последовательных приближений определить выходной код?

ЛИТЕРАТУРА

1. Клаассен К.Б. Основы измерений. Датчики и электронные приборы. Учебное пособие.- М.: ИД Интеллект, 2012. - 352с.

 2. Топильский В.Б. Микроэлектронные измерительные преобразователи. Учебное пособие.- М.: Пилот, 2012. - 493с.

3. Топильский В.Б. Схемотехника аналого-цифровых преобразователей. Учебное пособие. - М.: Техносфера, 2014. - 288с.

 

СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа №1. Интерфейсные схемы на операционных

усилителях……………………………………………………….…………3

Лабораторная работа №2. Измерительные выпрямители…………...…..6

Лабораторная работа №3. Мостовые преобразователи сопротивления..8

Лабораторная работа №4. Линеаризация датчиков

информации………………………………………………….………..…...11

Лабораторная работа №5. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые

преобразователи………………………………………….……………….15

ЛИТЕРАТУРА………………………………………….………………....18

 

 

 

Учебно-методическое издание   Тихонов Владимир Александрович     Сборник лабораторных работ по дисциплине «Преобразователи первичной информации»   Технический редактор М.А. Андреев Корректор И.А. Казилина ________________________________________________________________________________________________________   Темплан издания филиала ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске, 2021 г., метод. Подписано в печать 00.10.2021. Печ. л. 1,25. ________________________________________________________________________________________________________   Издательский сектор филиала ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»  в г. Смоленске 214013 г. Смоленск, Энергетический проезд, 1.                                  Ó Тихонов В.А., 2021.

Ó Филиал ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»  в г. Смоленске, 2021.

 

СБОРНИК ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРВИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ»

 

Смоленск     2021

УДК 621.396 (076.5)

 Т 46

 

Утверждено учебно-методическим Советом филиала ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске в качестве учебно-методического пособия для студентов очной формы обучения (квалификация (степень) «бакалавр») по направлению подготовки 09.03.01  «Информатика и вычислительная техника», профиль подготовки «Автоматизированные системы обработки информации и управления»

.

 

Подготовлено на кафедре вычислительной техники

 

 

Рецензент

канд. техн. наук, доцент филиала ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске

 Ю.И. Пучков

 

 

Тихонов, В.А. Сборник лабораторных работ по дисциплине «Преобразователи первичной информации»: методические указания [Электронный ресурс] / В.А. Тихонов – Смоленск: РИО филиала ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске, 2021. – 20 с.

Сборник лабораторных работ посвящен изучению типовых устройств сопряжения объектов управления и контроля с вычислительными системами. Лабораторные работы включают изучение схем построения и характеристик устройств сопряжения на основе интегральных операционных усилителей, методов линеаризации выходных характеристик датчиков, типовых структур построения аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей. Продолжительность выполнения каждой работы – 4 часа. Продолжительность домашней подготовки - 1 – 2 часа.

 

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИНТЕРФЕЙСНЫЕ СХЕМЫ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

 

Цель работы: изучение типовых интерфейсных схем на операционных усилителях с использованием среды моделирования

 

Теоретическое введение

Для подключения датчика к процессорному устройству, как правило, требуются промежуточные согласующие устройства – интерфейсные устройства. Составной частью практически всех современных интерфейсных устройств являются операционные усилители (ОУ). Разработаны типовые схемы интерфейсных устройств, реализованные на ОУ.

На рисунке 1.1 представлена типовая схема инвертирующего усилителя. Коэффициент усиления инвертирующего усилителя Кин определяется следующим выражением

 

                                  .                                   (1.1)

	Rос

                     

Рисунок 1.1 – Инвертирующий усилитель

 

Сопротивление  выбирается из условия ослабления влияния входных токов ОУ на работу инвертирующего усилителя, то есть

 

                                        .                              (1.2)

 

Входное сопротивление инвертирующего усилителя равно Rг.

Схема неинвертирующего усилителя изображена на рисунке 1.2. Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя Книн равен

 

                                  .                                 (1.3)

 

Вычитание напряжений осуществляется типовым дифференциальным усилителем, изображенным на рисунке 1.3. Дифференциальный усилитель усиливает разность напряжений между входами Вх1 и Вх2. Соотношение резисторов  дифференциального усилителя определяется условием

 

.                                         (1.4)

 

Рисунок 1.2 – Неинвертирующий усилитель

                               

Рисунок 1.3 – Дифференциальный усилитель

 

Коэффициент усиления дифференциального усилителя Кду  равен

 

                                  .                                       (1.5)

 

Рабочее задание