Меню

Для суммирования нескольких напряжений

Лабораторная работа №5. Суммирование напряжений в схемах на ОУ

Лабораторная работа №5

Суммирование напряжений в схемах на ОУ

1. Анализ работы схемы суммирующего усилителя на ОУ.

2. Исследование суммирования двух постоянных входных напряжений.

3. Исследование суммирования постоянного и переменного входного напряжения.

4. Исследование суммирования двух переменных входных напряжений.

Приборы и элементы

Источник постоянной ЭДС

Операционный усилитель LM741

Краткие сведения из теории

В суммирующем усилителе, показанном на рис.5.1, пренебрегая входными токами и напряжением смещения, выполняются следующие соотношения:

Из полученных соотношений можно получить следующее выражение для выходного напряжения:

Последнее выражение справедливо при

Порядок проведения экспериментов

Эксперимент 1. Суммирование постоянных напряжений.

а). Соберите схему, изображенную на рис.5.1. Включите схему. Запишите показания приборов в раздел «Результаты экспериментов».

б). По заданным номиналам элементов схемы рассчитайте значения токов I1, I2, IOC. Используя значения напряжений U1 и U2, вычислите выходное напряжение Uвых. Результа­ты запишите в раздел «Результаты экспериментов».

Эксперимент 2. Суммирование постоянного и переменного напряжения.

а). Соберите схему, изображенную на рис.5.2. Включите схему. Зарисуйте осциллограммы входного и выходного напряжения в разделе «Результаты экспериментов». Из­мерьте постоянную составляющую и амплитуду выходного напряжения Uвых. Вычислите по­стоянную составляющую и амплитуду выходного напряжения Uвыx, используя значения на­пряжений U1 и U2. Результаты запишите в раздел «Результаты экспериментов».

б). Установите значение сопротивления R2 равным 2.5 кОм. Включите схему. Зарисуйте ос­циллограммы входного и выходного напряжения в разделе «Результаты экспериментов». Измерьте постоянную составляющую и амплитуду выходного напряжения Uвых. Вычислите постоянную составляющую и амплитуду выходного напряжения Uвых, используя значения напряжений U1 и U2. Результаты запишите в раздел «Результаты экспериментов».

Эксперимент 3. Суммирование переменных напряжений.

а). Соберите схему, изображенную на puc.5.3. Включите схему. Зари­суйте осциллограммы входного и выходного напряжения в разделе «Результаты экспери­ментов». Измерьте амплитуды входного и выходного напряжений. Вычислите амплитуду выходного напряжения Uвых по известным значениям амплитуд напряжений U1 и U2. Ре­зультаты запишите в раздел «Результаты экспериментов».

Результаты экспериментов

Эксперимент 1. Суммирование постоянных напряжений.

Напряжение первого суммируемого сигнала U1 = 5В,

Напряжение второго суммируемого сигнала U2 = 3 В.

Ток первого суммируемого сигнала I1

Ток второго суммируемого сигнала I2

Суммарный ток I

Ток в цепи обратной связи Iос

Выходное напряжение Uвых, В

Эксперимент 2. Суммирование постоянного и переменного напряжения.

а). Сопротивление R2=5 кОм.

Осциллограммы входного и выходного напряжения.

Постоянная составляющая выходного напряжения U0ВЫХ, В

Амплитуда переменной составляющей выход. напряжения U0ВЫХ, В

б). Сопротивление R2=2.5 кОм.

Постоянная составляющая выходного напряжения U0ВЫХ, В

Амплитуда переменной составляющей выход. напряжения U0ВЫХ, В

Осциллограммы входного и выходного напряжения

Эксперимент 3. Суммирование переменных напряжений.

Осциллограммы входного и выходного напряжения

Амплитуда выходного напряжения U0ВЫХ, В

1. Объясните влияние напряжения смещения ОУ на ошибку суммирования постоянных напряжений в схеме на рис.5.1.

Читайте также:  Число витков трансформатора увеличивает напряжение

2. Из каких условий выводится соотношение между входным и выходным напряжением в схеме сумматора на основе ОУ?

3. Как можно реализовать схему для суммирования трех или более входных напряжений?

4. Как изменятся основные соотношения для схемы рис.5.1, если на неинвертирующий вход ОУ подать постоянное напряжение?

5. Перечислите возможные способы изменения коэффициентов суммирования сигналов в схеме рис.5.1.

6. При каких ограничениях на входные сигналы схема сумматора работает в линейном ре­жиме?

Источник



Сумматоры сигналов

При работе с аналоговыми сигналами часто требуется просуммировать сигналы с нескольких источников. Это требуется в режиссерский пультах, при работе нескольких передатчиков на одну антенну, при формировании полного сигнала из квадратурных составляющих. Сумматор — это устройство, формирующее на выходе напряжение или ток, пропорциональный сумме входных напряжений или токов.

Проще всего осуществить суммирование токов, согласно первому закону Кирхофа. Для этого в качестве источника входных сигналов следует применять генераторы тока. Тогда достаточно соединить выходы этих генераторов тока параллельно и мы осуществим суммирование аналоговых сигналов. Однако такое решение встречается достаточно редко. Чаще нам доступны источники напряжения, в этом случае преобразование напряжение-ток можно выполнить при помощи обыкновенных резисторов. Схема сумматора аналоговых сигналов, собранная на резисторах приведена на рисунке 1

Рисунок 1. Схема простейшего аналогового сумматора

В данной схеме резисторы R1 и R2 служат для преобразования источника напряжения в источник тока, поэтому чем больше сопротивления этих резисторов, тем лучше они будут справляться со своей задачей. Суммарный ток, вытекающий из точки соединения резисторов на общий провод, преобразуется в напряжение на резисторе R3. Следует отметить, что сопротивление резистора R3 будет оказывать влияние на точность преобразования напряжение-ток на резисторах R1 и R2. Чем меньше будет сопротивление резистора R3, тем меньше будет это влияние. Однако малое значение сопротивления R3 приводит к малым значениям суммарного напряжения на выходе схемы аналогового сумматора.

На высоких частотах важно обеспечить согласование сопротивления со всех сторон. При соединении двух источников сигнала их сопротивления соединяются параллельно, что приводит к рассогласованию с нагрузкой и появлению отражений сигнала от точки суммирования. Для согласования волновых сопротивлений в высокочастотном сумматоре на резисторах применяют последовательное соединение резисторов, как это показано на рисунке 2.


Рисунок 2. Схема высокочастотного сумматора, собранная на резисторах

В этой схеме не показаны проводники с нулевым потенциалом, однако они обязательно должны присутствовать для протекания обратного тока. Для волнового сопротивления кабелей , применяемого в телевизионной технике, сопротивление резисторов в схеме должно быть , а для волнового сопротивления , применяемого в технике связи, сопротивление резисторов должно быть . В этом случае потери сигнала не превысят .

Читайте также:  Амплитудное значение переменного напряжения больше действующего значения

Приведенная на схема может служить как для суммирования сигналов, так и для распределения мощности нескольким приемникам, поэтому она может называться сплиттером (расщепителем) мощности. Подобное устройство обычно выполняется в виде отдельного, конструктивно законченного изделия. Один из вариантов конструктивного выполнения высокочастотного сумматора приведен на рисунке 3.


Рисунок 3. Внешний вид сумматора мощности

В схеме суммирования токов точность суммирования можно значительно увеличить, применив трансформатор. При трансформировании напряжения одновременно производится преобразование сопротивления. Повышающий трансформатор обладает малым входным сопротивлением и большим выходным сопротивлением. В результате можно значительно увеличить точность суммирования аналоговых сигналов.

Обычный трансформатор редко используется в схеме сумматоров аналоговых сигналов. Это связано с тем, что на низких частотах лучшими характеристиками обладает схема сумматора, реализованная на операционном усилителе, а на высоких частотах трудно изготовить качественный широкополосный трансформатор. Тем не менее схемы на высокочастотных трансформаторах широко используются для реализации телевизионных сумматоров. В них трансформаторы на длинных линиях обеспечивают достаточно высокую развязку между входами. Это позволяет обойтись без дополнительных аттенюаторов или усилилителей. Пример принципиальной схемы сумматора ТВ сигналов приведен на рисунке 4

схема двухканального телевизионного сумматора
Рисунок 4. Принципиальная схема двухканального телевизионного сумматора

В схеме ТВ сумматора, приведенной на рисунке 4, резистор R1 обеспечивает входное сопротивление 75 Ом (между входами получается дифференциальное сопротивление 150 Ом). Обмотки трансформатора, входящего в схему телевизионного сумматора, должны быть максимально идентичными. Конструктивное исполнение трансформатора приведено на рисунке 5.

Рисунок 5. Конструктивное исполнение трансформатора в сумматоре телевизионных сигналов

Для обеспечения волнового сопротивления диаметр провода выбирают длину трубок выбирают равной Пример конструктивного выполнения сумматора с развязкой входов между собой приведен на рисунке 6.

Внешний вид сумматора мощности
Рисунок 6. Сумматор с развязкой входов между собой

Так как схема приведенного устройства абсолютно симметрична относительно выхода, то она может быть использована в качестве сплиттера (делителя мощности) для подключения нескольких радиоприемников к одной антенне.

Сумматоры телевизионных сигналов строят и на фильтрах. Классическим примером является суммирование сигналов с антенн МВ и ДМВ диапазонов, которые достаточно далеко разнесены по частоте. Подобным же образом выполняются схемы сумматоров радиосигнала передатчиков различных диапазонов частот в схемах сотовых телефонов. Пример принципиальной схемы сумматора ТВ сигналов приведен на рисунке 6.

Рисунок 6. Схема сумматора ТВ сигналов с выхода антенн МВ и ДМВ диапазонов

В современных схемах все чаще в качестве трансформатора сопротивлений применяется фильтр низких частот (или полосовой фильтр) с низким входным и стандартным выходным сопротивлениями. В качестве генератора тока удобно использовать коллекторную цепь биполярного транзистора или стоковую цепь полевого транзистора. Этот вариант выходного каскада часто предлагается широкополосными интегральными микросхемами. В результате сумматор аналоговых сигналов образуется параллельным включением микросхем с токовым выходом, нагруженных на фильтр с низким входным сопротивлением. Подобная схема приведена на рисунке 7.

Читайте также:  Напряжение бортовой сети автомобиля при работе двигателя

Рисунок 7. Схема широкополосного аналогового сумматора токов

Более известна схема сумматора аналоговых сигналов, построенная на операционном усилителе. Усилитель, конечно, может быть любой. Но именно операционный усилитель позволяет получить наилучшие качественные характеристики сумматора сигналов, амплитудно-частотная характеристика которого может начинаться от нулевой частоты (постоянного тока). В данных схемах используется свойство параллельной обратной связи уменьшать входное сопротивление усилителя. За счет большого коэффициента усиления операционного усилителя входное сопротивление практически равно нулю. Поэтому развязка между каналами получается практически идеальной. Схема сумматора сигналов на операционном усилителе приведена на рисунке 8.

Схема сумматора на операционном усилителе
Рисунок 8. Схема сумматора сигналов на операционном усилителе

В схеме сумматора, выполненного на операционном усилителе, также как и в схеме резистивного сумматора, приведенной на рисунке 1, весовые коэффициенты суммирования зависят от соотношения резисторов R1 и R2. При проектировании сумматора с одинаковыми весовыми коэффициентами по входам 1 и 2, номиналы сопротивления резисторов R1 и R2 выбирают одинаковыми. Отношения сопротивлений резисторов R1 и R3 определяют абсолютное значение коэффициента передачи сумматора по входу 1. При этом коэффициент передачи может быть как больше единицы (схема обладает усилением), так и меньше единицы (схема ослабляет сигнал).

При суммировании сигналов с очень низкой частотой, близкой к постоянному току, в схему может быть добавлено сопротивление между инвертирующим входом дифференциального каскада ОУ и общим проводом схемы. Оно предназначено для компенсирования влияния входного тока операционного усилителя на выходное напряжение. Сопротивление этого резистора рассчитывается как параллельное соединение резисторов R1, R2 и R3.

Дата последнего обновления файла 01.05.2018

Источник

Общие сведения. Для суммирования нескольких напряжений обычно применяется операционный усилитель в инвертирующем включении (рис

Для суммирования нескольких напряжений обычно применяется операционный усилитель в инвертирующем включении (рис. 3.7.1.а). Входные напряжения через добавочные резисторы подаются на инвертирующий вход усилителя. Поскольку потенциал этой точки равен нулю, а ток через сопротивление обратной связи равен сумме токов в добавочных сопротивлениях, получим:

Простейшая схема интегрирования представлена на рис. 3.7.1б. В ней мгновенное значение выходного напряжения равно напряжению на конденсаторе:

Но iC(t)=-iВХ(t) = -uВХ(t)/R, поэтому

Постоянное слагаемое uвых(0) определяет начальное условие интегрирования. Для «обнуления» начальных условий конденсатор необходимо перед началом интегрирования разрядить. При отсутствии входного сигнала выходное напряжение может дрейфовать вследствие интегрирования токов утечки. Для уменьшения этого дрейфа параллельно конденсатору включают большое сопротивление RОС. Но оно ограничивает частотный диапазон интегратора в области низких частот.

Амплитудно-частотная характеристика идеального интегрирующего усилителя описывается выражением:

Поменяв местами конденсатор с резистором в схеме интегрирования, получим дифференцирующий усилитель (рис. 3.7.1в). Резистор R1

Источник