Электроника:Эксперименты/Аналоговые интегральные схемы/Интегратор

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Интегратор[1]

Оборудование и материалы

Для этого эксперимента с интегратором подойдёт практически любая модель операционного усилителя, но я отдаю предпочтение модели 1458, а не 353, потому что 1458 имеет гораздо более высокие входные токи смещения. Обычно высокий входной ток смещения является плохой характеристикой для операционного усилителя в схеме прецизионного усилителя постоянного тока (и особенно в схеме интегратора!). Тем не менее, я хочу, чтобы ток смещения был как можно выше, с целью в таком гипертрофированном виде показать его негативные последствия, и чтобы показать один метод противодействия этим последствиям.

Ссылки по теме

Цели эксперимента

Схематическая диаграмма

Рис. 1. Схематическая диаграмма: интегратор.
Рис. 1. Схематическая диаграмма: интегратор.

Иллюстрации

Рис. 2. Иллюстрация: интегратор.
Рис. 2. Иллюстрация: интегратор.

Ход эксперимента

Как видно из принципиальной схемы и иллюстрации, потенциометр подключён к «рельсам» источника питания через резисторы 100 кОм, по одному на каждом конце. Это делается для ограничения диапазона потенциометра, чтобы полное движение создавало довольно небольшой диапазон входных напряжений для работы операционного усилителя.

В одном крайнем положении потенциометра на движке потенциометра будет создаваться напряжение около 0,5 вольт (относительно точки заземления в середине последовательного ряда батарей). В другом крайнем случае при движении будет создаваться напряжение около -0,5 вольт. Когда потенциометр находится в «мёртвой» точке, напряжение ползунка должно равняться нулю вольт.

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

Используя термины исчисления, мы бы сказали, что выходное напряжение представляет собой интеграл (по времени) функции входного напряжения. То есть уровень входного напряжения определяет скорость изменения выходного напряжения во времени. Это прямо противоположно дифференцированию, где производная сигнала или функции представляет собой его мгновенную скорость изменения.

Если у вас есть два вольтметра, вы можете легко увидеть эту взаимосвязь между входным напряжением и скоростью изменения выходного напряжения, измерив напряжение движителя (между ползунком потенциометра и «землёй») одним измерителем и выходное напряжение (между выходной клеммой операционного усилителя и земля) с другим.

Настройка потенциометра на ноль вольт должна привести к наименьшей скорости изменения выходного напряжения. И наоборот, чем больше напряжение на входе в эту схему, тем быстрее будет меняться её выходное напряжение или «линейное изменение».

Попробуйте подключить второй конденсатор 0,1 мкФ параллельно первому. Это удвоит величину ёмкости в контуре обратной связи операционного усилителя. Как это влияет на скорость интегрирования схемы для любого заданного положения потенциометра?

Попробуйте подключить ещё один резистор 1 МОм параллельно входному резистору (резистор, соединяющий движок потенциометра с инвертирующим выводом операционного усилителя). Это уменьшит вдвое входное сопротивление интегратора. Как это влияет на скорость интегрирования схемы?

Схемы интеграторов являются одной из основных функций «строительных блоков» аналогового компьютера. Соединив схемы интеграторов с усилителями, сумматорами и потенциометрами (делителями), возможно смоделировать практически любое дифференциальное уравнение, а решения, полученные путём измерения напряжений, вырабатывались в различных точках сети цепей.

Поскольку дифференциальные уравнения описывают так много физических процессов, в качестве симуляторов используются аналоговые компьютеры. До появления современных цифровых компьютеров инженеры использовали аналоговые компьютеры для моделирования таких процессов, как вибрация механизмов, траектория ракеты и реакция системы управления. Несмотря на то, что аналоговые компьютеры считаются устаревшими по современным стандартам, составляющие их компоненты по-прежнему хорошо работают в качестве инструментов для изучения концепций исчисления.

Перемещайте потенциометр до тех пор, пока выходное напряжение операционного усилителя не станет настолько близким к нулю, насколько это возможно, и двигайте его настолько медленно, насколько это возможно. Отсоедините вход интегратора от клеммы потенциометра и вместо этого подключите его к «земле», например вот так:

Рис. 3. Схематическая диаграмма: вход интегратор подключён к «земле».
Рис. 3. Схематическая диаграмма: вход интегратор подключён к «земле».
Рис. 4. Иллюстрация: вход интегратор подключён к «земле».
Рис. 4. Иллюстрация: вход интегратор подключён к «земле».

Подача 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 остаётся на постоянном уровне или изменяется очень медленно.

Когда вход интегратора всё ещё закорочен на «землю», замкните резистор 1 МОм, соединяющий неинвертирующий (+) вход операционного усилителя с «землёй». В идеальной схеме операционного усилителя не должно быть необходимости в этом резисторе, поэтому, замкнув его, мы увидим, какую функцию он выполняет в этой вполне реальной схеме операционного усилителя:

Рис. 5. Схематическая диаграмма: вход интегратора закорочен на «землю».
Рис. 5. Схематическая диаграмма: вход интегратора закорочен на «землю».
Рис. 6. Иллюстрация: вход интегратора закорочен на «землю».
Рис. 6. Иллюстрация: вход интегратора закорочен на «землю».

Как только «заземлённый» резистор замкнуть перемычкой, выходное напряжение операционного усилителя начнет изменяться («дрейфовать»). В идеале этого не должно происходить, потому что схема интегратора по-прежнему имеет нулевой входной сигнал. Однако настоящие операционные усилители имеют очень небольшую величину тока, поступающего на каждую входную клемму, которая называется током смещения. Эти токи смещения будут сбрасывать напряжение на любом сопротивлении на своём пути.

Поскольку входной резистор сопротивлением 1 МОм проводит некоторый ток смещения независимо от величины входного сигнала, напряжение на его клеммах будет падать из-за тока смещения, тем самым «смещая» величину напряжения сигнала на инвертирующем выводе операционного усилителя. Если другой (неинвертирующий) вход подключён непосредственно к «земле», как мы сделали здесь, это «смещённое» напряжение, вызванное падением напряжения, вызванным током смещения, заставит схему интегратора медленно «интегрировать», как если бы она получала очень маленький сигнал входного напряжения.

«Заземляющий» резистор более известен как компенсирующий резистор, потому что он компенсирует погрешности напряжения, создаваемые током смещения. Поскольку токи смещения через каждый входной вывод операционного усилителя примерно равны друг другу, одинаковое сопротивление, размещённое на пути каждого тока смещения, вызовет 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 всё ещё может немного дрейфовать, скорее всего, из-за ошибки напряжения смещения в самом операционном усилителе, но это совсем другая тема!

Компьютерное моделирование

Схема с номерами узлов SPICE:

Рис. 7. Схематическая диаграмма для SPICE: интегратор.
Рис. 7. Схематическая диаграмма для SPICE: интегратор.

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

Список связей SPICE

DC integrator * 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

См.также

Внешние ссылки