Интегратор

Вопросы для самопроверки

1. Приведите и охарактеризуйте схему дифференциального усилителя.

2. Приведите схему инструментального усилителя и назовите его важнейшие свойства.

3. Объясните значение коэффициента КОСС.

4. Приведите схему сумматора и соотношения, которые ее характеризуют.

Литература для дополнительного изучения [2, с.3-5]; [3, с.4,5]; [4, с.3-5].

Лекция 5. Схемы, которые выполняют операции интегрирования и дифференцирования.

Цель лекции: Изучение наиболее простых реальных схем на основе операционного усилителя, их характеристики и области применения.

Вопросы, которые рассматриваются на лекции:

1. Интегратор.

2. Дифференциатор.

Интегратор – это электронная схема, которая вырабатывает выходный сигнал, пропорциональный интегралу (по времени) от входного сигнала. На рисунке 5.1 показана принципиальная схема простого аналогового интегратора. Один вывод конденсатора присоединен к суммирующему узлу, а другой – к вывод интегратора. Следовательно, напряжение на конденсаторе одновременно является выходным напряжением.

Рисунок 5.1 – Аналоговый интегратор

Выходной сигнал интегратора не удается описать простой алгебраической зависимостью, поскольку при фиксированном входном напряжении выходное напряжение изменяется со скоростью, обусловленной параметрами U_вх, R, и C.

Таким образом, для того чтобы найти выходное напряжение, нужно знать длительность действия входного сигнала. Напряжение на первоначально разряженном конденсаторе

U = ,

где i _ос – ток через конденсатор;

t ₁ – время интегрирования.

Для положительного U _вх имеем i _вх =

Поскольку i _ос = i _вх, то, с учетом инверсии сигнала, получаем

U _вых = + U _со.

Из этого соотношения следует, что U ₀ определяется интегралом (с обратным знаком) от входного напряжения в интервале от 0 до t ₁, умноженным на масштабный коэффициент 1/RC. Напряжение U _со – это напряжение на конденсаторе в начальный момент времени. Идеализированный интегратор (рисунок 5.1) имеет серьезный недостаток, если напряжение U_вх на входе действует неопределенно долгое время, то выходное напряжение U_вых будет уменьшаться до тех пор, пока не достигнет величины напряжения насыщения ОУ. Это происходит потому, что по постоянному току интегратор работает как усилитель с разомкнутой петлей обратной связи. На рисунке 5.2 показана практическая принципиальная схема интегратора, где приняты меры для предотвращения насыщения ОУ. В цикле установки в начальное (исходное) состояние ключ S ₁ замкнут, а ключ S ₂ разомкнут.

Рисунок 5.2 – Практическая схема интегратора

Схема работает как инвертирующий усилитель, который заряжает конденсатор С до напряжения - U _c, равного взятому с обратным знаком опорному напряжению - U _оп. Поскольку входное сопротивление и сопротивление цепи обратной связи одинаковые, то коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен «-1», U_вых равно U_оп и в начальном состоянии конденсатор заряжен до напряжения U_оп. В цикле интегрирования ключ S ₁ разомкнут, а ключ S ₂ замкнут. В цикле хранения оба ключа разомкнуты, и выходное напряжение U_вых поддерживается на постоянному уровне для считывания или последующей обработки информации.

Ключи S ₁ и S ₂ могут быть контактами реле, твердотельными ключами, например, на полевых транзисторах, или аналоговыми ключами. Работой ключей управляют внешние логические устройства.

Это упрощает установку начальных условий и запуск интегрирования в тех случаях, когда для решения дифференциального уравнения используется несколько интеграторов. Рисунок 5.3 иллюстрирует последовательность рабочих циклов интегратора.

Рисунок 5.3 – Рабочие циклы интегратора