Моделирование электронных устройств в среде MultiSim


Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ





К.Ю. ПИНИГИН, В.А. ЖМУДЬ





МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ В СРЕДЕ MULTISIM
Учебно-методическое пособие














НОВОСИБИРСК

2012

УДК 621.38 : 004.42(075.8)
      П 326



Рецензент
д-р техн. наук, проф. Г.А. Французова

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебно-методического пособия

        Пинигин К.Ю.

П 326 Моделирование электронных устройств в среде MultiSim: учеб.-метод. пособие / К.Ю. Пинигин, В.А. Жмудь.- Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2012- 74 с.

         ISBN978-5-7782-2106-2

         Пособие предназначено для студентов очного и заочного отделения, обучающихся по направлению подготовки 220200.62 «Автоматизация и управление», по дисциплине «Моделирование систем», (бакалавр, 4 курс), в качестве практикума по программированию однокристальных микроконтроллеров
         Пособие содержит учебные материалы и методические рекомендации по самоконтролю (вопросы для самопроверки).
         Работа выполнена по заданию Министерства образования и науки РФ, проекты № 7.559.2011 (Гемплан).
         Для успешного овладения курсом требуется успешное обучение по ранее изученным курсам «Программирование и основы алгоритмизации», «Электроника», «Схемотехника».




УДК 621.38 : 004.42(075.8)




ISBN 978-5-7782-2106-2

                   © Пинигин К.Ю., Жмудь В.А., 2012 © Новосибирский государственный технический университет, 2012

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1


            ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ


ЦЕЛЬ РАБОТЫ
   Изучение принципа работы операционных усилителях и исследование характеристик устройств на их основе: инвертирующего усилителя, интегратора, дифференциатора и избирательного усилителя.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

        1. НАЗНАЧЕНИЕ И УСЛОВНОЕ ОБОЗНАЧЕНИЕ ОУ

   Операционный усилитель (ОУ) - это малогабаритный (в интегральном исполнении отечественных серий К140, К544, К553, КР1040УД, КР1435 и др. и импортных серий AD8041, ОР275, LM339 и др.) многокаскадный усилитель постоянного тока с непосредственными связями между каскадами и большим коэффициентом усиления.
   Операционные усилители предназначены как для усиления электрических сигналов, так и для осуществления различных операций над сигналами: сложение, вычитание, интегрирование, логарифмирование и др. Кроме этого, операционные усилители часто используют при конструировании компараторов, генераторов гармонических колебаний и сигналов различной формы, избирательных усилителей и других устройств. Такие усилители имеют симметричный дифференциальный высокоомный вход, высокий коэффициент усиления, низкоомный (сравнительно мощный) выход и сконструированы таким образом, что к ним могут быть подключены различные корректирующие цепи и цепи обратной связи.
   Функциональная схема типового ОУ представлена на рис. 1.1, а, а его условное обозначение - на рис 1.1,6. Входной дифференциальный каскад ОУ, обычно реализуемый на полевых транзисторах, обеспечи

3

вает высокое входное сопротивление. Выходным каскадом является двухтактный усилитель мощности с низким выходным сопротивлением (эмиттерный повторитель, работающий в режиме усиления В или .О). В настоящее время ОУ проектируют по двухкаскадной схеме.

ивых

ДУ - дифференциальный усилитель
УН - промежуточный усилитель ЭП - эмиттерный повторитель

+ип

Входы

Выход

■о

■U„

— I

а

б

Рис. 1.1

   Операционный усилитель имеет два входа: инвертирующий (И) и неинвертирующий (Н). Их название связано с тем, что в первом случае выходное напряжение находится в противофазе с входным, а во втором случае - в фазе с входным напряжением. Для питания ОУ обычно используют два разнополярных источника питания +Uₙ и -Uₙ или один биполярный источник, а его среднюю точку соединяют с общей шиной (заземляют), относительно которой измеряются напряжения + Uₙ и -Uₙ, равные ±ЗВ ...± 15 В. Для получения нужных свойств к дополнительным выводам ОУ подключают звенья обратной связи.



        2. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ОУ

   Без обратных связей ОУ не применяется из-за его большого коэффициента усиления (для идеального ОУ Ки = да; RBX = да; RBbLV = 0 и бесконечная полоса частот усиливаемого сигнала), вследствие чего даже незначительная асимметрия плеч входного дифференциального усилителя или весьма малое входное напряжение могут привести к насыщению ОУ (формированию на выходе ОУ напряжения, близкого по уровню к напряжению питания) и его неспособности обрабатывать входные сигналы.
   Подключив звено отрицательной обратной связи (ООС), состоящее из двух резисторов (делителя), например, Rос ® 200 кОм и R₁ ® 5 кОм между выходом и инвертирующим входом и соединив вход Н с общей

4

точкой, получим инвертирующий усилитель (рис. 1.2, а) с фиксированным коэффициентом усиления, амплитудная характеристика которого ивьк = f (ивх) изображена на рис. 1.2, б, на которой напряжение смещения С7см = £/ВЬ₁Х,₀ / Ки.ос (при ивых = 0) есть приведенный к входу ОУ дрейф нуля С7вых,₀ при t/BX = 0 от всех дестабилизирующих факторов.
   Схема неинвертирующего усилителя и его амплитудная характеристика представлены на рис. 1.2, в, г.

Д ивых

Рис. 1.2

ивых

вх

   Основными параметрами ОУ с ООС являются:
   •    коэффициент усиления напряжения Ки,ос = ДиВЬ₁Х / Дивх, где Дивх -разность потенциалов между входными выводами, и не зависит от коэффициента усиления самого ОУ (Ки = 10⁵.. .10⁶). Для инвертирующего ОУ с ООС Ки,ос приближенно определяется отношением сопротивлений резисторов Rос и R₁ звена ООС по напряжению, т. е. Ки,ос ® -Rос / R₁.

5

   Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя (см. рис. 1.2, в) '„ .ое * RОС/ R + 1.

   Максимальное значение напряжения, при котором нелинейные искажения пренебрежительно малы, UBbKₘₐₓ = Kiy ~ (0,8...0,9)Uₙ, т. е. меньше напряжения питания Uₙ на 0,5 ...3 В в зависимости от уровня U„;

   •    входное сопротивление для разностного сигнала между входами ОУ на низкой частоте RBX ® 10³.10⁷ Ом;
   •    выходное сопротивление RBbIX <100 Ом;
   •     входное напряжение смещения нуля UCM (единицы милливольт) -дифференциальное напряжение, которое нужно приложить между входами ОУ, чтобы его выходное напряжение в отсутствие входных сигналов стало равно нулю;
   •    частота среза/„, соответствующая спаду АЧХ ОУ на 3 дБ;
   •     частота единичного усиления f, (достигает сотен мегагерц), т. е. частота, при которой Ки =1;
   •     скорость нарастания выходного напряжения (v ® 1.100 В/мкс) при подаче ступенчатого напряжения на вход и коротком замыкании выхода на инвертирующий вход;
   •    время установления выходного напряжения (фст = 0,05.2 мкс) от 0,1 до 0,9 своего установившегося значения.
   Одним из важных достоинств ОУ является подавление (ослабление) синфазного сигнала ивх.Сф = (ивх₁ + ивх₂)/2, соответствующего равным по значению и одинаковым по знаку напряжениям, приложенным к обоим входам. Коэффициентом ослабления синфазного сигнала


K^= 201g (Ки .Ое/К Ф) = 60.120 дБ,


где Ки.ое - коэффициент усиления напряжения ивх.Сф, приложенного между входными выводами ОУ, т. е. разностного напряжения Ди = = ивх1 - ивх₂; КСф = ивьк.сф / ивх.Сф - коэффициент усиления напряжения ивх.сф, приложенного между общей шиной и каждым входом ОУ. Чем больше К₀С.Сф, тем меньшую разность входных сигналов сможет различить ОУ на фоне большого синфазного напряжения.
   Формирование напряжения на выходе ОУ в отсутствие входных сигналов (дрейф нуля) обусловлено неполной идентичностью напряжений эмиттерных переходов транзисторов входного дифференциального усилителя, изменением температуры окружающей среды, параметров источников питания, старением активных элементов схемы и т.


6

п. Введением внешних цепей коррекции (балансировки), подключаемых к специально предусмотренным для этой цели выводам ОУ, можно компенсировать погрешности, обусловленные действием всех перечисленных выше дестабилизирующих факторов, приводящих к дрейфу нуля.

        3. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ НА ОСНОВЕ ОУ

   На основе ОУ строят функциональные узлы для выполнения различных математических операций (рис. 1.3): повторитель (а), выходной сигнал которого практически равен входному, интегратор (б), выходной сигнал которого пропорционален интегралу по времени от его входного сигнала, дифференциатор (<?), выходной сигнал которого пропорционален производной от его входного сигнала, избирательный усилитель (г), усиливающий входной сигнал в узкой полосе частот, сумматор (А), выходное напряжение которого равно инвертированной сумме входных напряжений, и др.
   Параметры компонентов схемы определяют из условия получения приемлемой точности выполнения операций. Например, для уменьшения ошибки интегрирования и влияния входного тока и напряжения смещения параллельно конденсатору С интегратора (см. рис. 1.3, б) подключают резистор, сопротивление которого значительно больше сопротивления R₁.
   С той же целью в дифференциаторе последовательно с конденсатором С (см. рис. 1.3, в) включают резистор. Кроме того, при моделировании процессов интегрирования и дифференцирования входных сигналов (импульсов), исходя из свойств ОУ и скорости изменения входных импульсов, определяют допустимую максимальную длительность входного сигнала для интегратора и минимальную для дифференциатора.
   Диапазон интегрирования реального интегратора ограничен снизу частотой сигнала госн = 1/RC(Kw + 1), а сверху частотой госв = (К + + 1)/тоу, где тоу - постоянная времени ОУ, а допустимое максимальное время интегрирования t„,тах << т = RC. При этом в интеграторе должны быть введены внешние цепи принудительного его обнуления, так как выходное напряжение интегратора равно

1              1 %и
w= U₀ +------ [iCdt = U₀----[— dt,
ВЫХ  ВХ О х—г С C   ВХ О г-1 J d J
⁽-'0С О        ⁽-'ос О R1
где f/Bₓ₀ - значение напряжения на зажимах конденсатора в момент начала новой волны интегрирования периодического сигнала.


7

<S>№

и

ивъа ® ивх

ивых

R1

Roc

                      R1
               и 2 о_|-                      R i и 3 0—1


<?>гс>

ивых

ивьix-—~( и 1 + и 2 + и з⁾ Ri


д
Рис. 1.3
   На практике при интегрировании выбирают постоянную времени звена обратной связи т = RC, по крайней мере, в 10...100 раз больше длительности входного сигнала, а при дифференцировании ее выбирают в 10.100 раз меньше длительности нарастания фронта входного сигнала и, тем более, существенно меньше его длительности.


8

УЧЕБНЫЕ ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИХ ВЫПОЛНЕНИЮ

   Задание 1. собрать на рабочем поле среды MS10 схему для испытания инвертирующего усилителя на ОУ (рис. 1.5), ознакомиться с методикой расчета параметров элементов схемы и установить их в диалоговых окнах компонентов.
   1.1. Инвертирующий усилитель (рис. 1.4) собран на ОУ типа AD846.

Рис. 1.4

   Входное напряжение от источников постоянного напряжения Е1, прямоугольных импульсов Е2, синусоидального напряжения ЕЗ посредством выключателей (ключей) А, В и С подается на инвертирующий вход ОУ через резистор R1, сопротивление R₁ = 10 кОм которого, в основном, определяет значение входного сопротивления усилителя, т. е. RBX ® R₁ = 10 кОм. С помощью потенциометра Roc с сопротивлением Rₒc = 500 кОм обеспечивается отрицательная параллельная обратная связь по напряжению.
   При Rₒc= 500 кОм коэффициент усиления по напряжению
Ки ~-Roe /R₁ =-500/10 = -50.
   Для устранения различия сопротивлений на входах ОУ и ослабления синфазного сигнала в цепь неинвертирующего входа включен резистор R2 с сопротивлением R₂ = 10 кОм.

9

   При большом коэффициенте ОУ Ки = 500 000 выходное сопротивление смоделированной схемы близко к нулю, т. е.
R^ое = R.К(1 + Л,е /^1)/К - 16• (1 + 5-10⁵ /10⁴)/5-10⁵ « 16-10⁻⁴ Ом.
   DblX.UV          1 U
   Поскольку сопротивление нагрузки для ОУ, как правило, должно быть не менее 2 кОм, выбираем резистор R3 с сопротивлением R₃ = = 2 кОм.
   1.2.    Снять и построить амплитудную характеристику ОУ иВЬ₁Х = = /(ивх), определить по ней напряжение смещения /7СМ, динамический диапазон и коэффициент усиления Ки,ос = ДивьК/Дивх, сравнить их с расчетными значениями. С этой целью замкнуть ключ С и, ступенчато (с интервалом в 50 мВ) изменяя ЭДС Е₂ = Йвх источника постоянного напряжения ЕЗ в границах -300 мВ ... 0 ... 300 мВ, заносить показания прибора V1 в составленную таблицу.
   1.З.    С помощью осциллограмм при входном ступенчатом напряжении определить скорость нарастания v выходного напряжения (при его переходе через нулевое значение) и время установления tycт. С этой целью разомкнуть ключ С и замкнуть ключ В, подключив, тем самым, к инвертирующему входу источник прямоугольных импульсов Е2 с амплитудой Ет = ± 0,1 В, длительностью импульсов tᵤ = 25 мкс и периодом Т =100 мкс их повторения.
   Установить:
   -     в закладке в открывающемся окне меню Simulate/ Analyses/ Transient Analysis/Maximum time step settings (Tmax = 1e-009 sec) шаг моделирования tₙₐₓ = 1 нс;
   -   параметры источника E2 и режим работы осциллографа XSC1.
   Воспользовавшись визирными линиями и осциллограммами напряжений, провести измерения выходного напряжения Лиеых при двух значениях времени его нарастания.
   В качестве примера на рис. 1.5, а приведены осциллограммы напряжений при tᵤ = 50 мкс, с помощью которых найдена скорость нарастания выходного напряжения v- Ди^к / Дt ~ 2/1-10⁻⁶ - 2 В/мкс и время установления /уст = 1₀,₉и - 1₀;₁ и ® 8 мкс, равное отрезку времени, в течение которого выходное напряжение нарастает от 0,1 до 0,9 установившегося значения С/Вых.уст ~ 9,97 В.
   1.4.    С помощью осциллографа XSC1 определить коэффициент усиления Ки,ос ОУ по переменному напряжению, а с помощью плоттера XBP1 получить его АЧХ по напряжению. Воспользовавшись визир

10