Элементы и устройства замкнутых систем управления электроприводами. Регуляторы. Операционные усилители. Виды и работа. Питание и особенности Питание операционного усилителя

В статье будет рассмотрена стандартная на операционном усилителе, а также приведены примеры различных режимов работы этого прибора. На сегодняшний день ни одно устройство управления не обходится без усилителей. Это поистине универсальные приборы, которые позволяют выполнять различные функции с сигналом. О том, как работает и что конкретно позволяет сделать этот прибор, вы и узнаете далее.

Инвертирующие усилители

Схема инвертирующего усилителя на ОУ достаточно проста, вы ее можете увидеть на изображении. В ее основе находится операционный усилитель (схемы включения его рассмотрены в данной статье). Кроме этого, здесь:

1. На резисторе R1 падение напряжения присутствует, по своему значению оно такое же, как входное.
2. На резисторе R2 также имеется - оно такое же, как выходное.

При этом отношение выходного напряжения к сопротивлению R2 равно по значению отношению входного к R1, но обратно ему по знаку. Зная значения сопротивления и напряжения, можно вычислить коэффициент усиления. Для этого необходимо разделить выходное напряжение на входное. При этом операционный усилитель (схемы включения у него могут быть любыми) может иметь одинаковый коэффициент усиления независимо от типа.

Работа обратной связи

Теперь нужно более детально разобрать один ключевой момент - работу обратной связи. Допустим, на входе имеется некоторое напряжение. Для простоты расчетов примем его значение равным 1 В. Допустим также, что R1=10 кОм, R2=100 кОм.

А теперь предположим, что возникла какая-то непредвиденная ситуация, из-за которой на выходе каскада напряжение установилось на значении 0 В. Далее наблюдается интересная картина - два сопротивления начинают работать в паре, совместно они создают из себя делитель напряжения. На выходе инвертирующего каскада оно поддерживается на уровне 0,91 В. При этом ОУ позволяет фиксировать рассогласование по входам, а на выходе происходит уменьшение напряжения. Поэтому очень просто спроектировать схему на операционных усилителях, реализующую функцию усилителя сигнала от датчика, например.

И продолжаться это изменение будет до той самой поры, покуда не установится на выходе значение стабильное в 10 В. Именно в этот миг на входах операционного усилителя потенциалы окажутся равными. И они будут такими же, как потенциал земли. С другой стороны, если на выходе устройства продолжит уменьшаться напряжение, и оно будет меньше, чем -10 В, на входе потенциал станет ниже, нежели у земли. Следствие этого - на выходе начинает увеличиваться напряжение.

У такой схемы имеется большой недостаток - входной импеданс очень маленький, в особенности у усилителей с большим значением коэффициента усиления по напряжению, в том случае, если цепь обратной связи замкнута. А конструкция, рассмотренная дальше, лишена всех этих недостатков.

Неинвертирующий усилитель

На рисунке приведена схема неинвертирующего усилителя на операционном усилителе. Проанализировав ее, можно сделать несколько выводов:

1. Значение напряжения UA равно входному.
2. С делителя снимается напряжение UA, которое равно отношению произведения выходного напряжения и R1 к сумме сопротивлений R1 и R2.
3. В случае, когда UA по значению равен входному напряжению, коэффициент усиления равен отношению выходного напряжения к входному (или же можно к отношению сопротивлений R2 и R1 прибавить единицу).

Называется данная конструкция неинвертирующим усилителем, у него практически бесконечный входной импеданс. Например, для операционных усилителей 411 серии его значение - 1012 Ом, минимум. А для операционных усилителей на биполярных полупроводниковых транзисторах, как правило, свыше 108 Ом. А вот выходной импеданс каскада, равно как и в ранее рассмотренной схеме, очень мал - доли ома. И это нужно учитывать, когда производится расчет схем на операционных усилителях.

Схема усилителя переменного тока

Обе схемы, рассмотренные в статье ранее, работают на Но вот если в качестве связи источника входного сигнала и усилителя выступает переменный ток, то придется предусматривать заземление для тока на входе устройства. Причем нужно обратить внимание на то, что значение тока крайне мало по величине.

В том случае, когда происходит усиление сигналов переменного тока, необходимо уменьшать коэффициент усиления сигнала постоянного до единицы. В особенности это актуально для случаев, когда коэффициент усиления по напряжению очень большой. Благодаря этому имеется возможность значительно снизить влияние напряжения сдвига, которое приводится к входу устройства.

Второй пример схемы для работы с переменным напряжением

В данной схеме на уровне -3 дБ можно видеть соответствие частоте 17 Гц. На ней у конденсатора импеданс оказывается на уровне двух килоом. Поэтому конденсатор должен быть достаточно большим.

Чтобы построить усилитель переменного тока, необходимо использовать неинвертирующий тип схемы на операционных усилителях. И у него должен быть достаточно большой коэффициент усиления по напряжению. Но вот конденсатор может быть чересчур большим, поэтому лучше всего отказаться от его использования. Правда, придется правильно подобрать напряжение сдвига, приравняв его по значению к нулю. А можно применить Т-образный делитель и увеличить значения сопротивлений обоих резисторов в схеме.

Какую схему предпочтительнее использовать

Большинство разработчиков отдают свое предпочтение неинвертирующим усилителям, так как у них очень высокий импеданс на входе. И пренебрегают схемам инвертирующего типа. Зато у последнего имеется огромное преимущество - он не требователен к самому операционному усилителю, который является его «сердцем».

Кроме того, характеристики, на поверку, у него значительно лучше. И с помощью мнимого заземления можно без особого труда все сигналы комбинировать, причем они не будут оказывать друг на друга какое-то влияние. Может использоваться в конструкциях и схема усилителя постоянного тока на операционном усилителе. Все зависит от потребностей.

И самое последнее - случай, если вся схема, рассмотренная здесь, подключается к стабильному выходу другого операционного усилителя. В этом случае значение импеданса на входе не играет существенной роли - хоть 1 кОм, хоть 10, хоть бесконечность. В этом случае первый каскад всегда выполняет свою функцию по отношению к следующему.

Схема повторителя

Работает повторитель на операционном усилителе аналогично эмиттерному, построенному на биполярном транзисторе. И выполняет аналогичные функции. По сути, это неинвертирующий усилитель, в котором у первого резистора сопротивление бесконечно большое, а у второго равно нулю. При этом коэффициент усиления равен единице.

Имеются специальные типы операционных усилителей, которые используются в технике лишь для схем повторителей. У них значительно лучшие характеристики - как правило, это высокое быстродействие. В качестве примера можно привести такие операционные усилители как OPA633, LM310, TL068. Последний имеет корпус, как у транзистора, а также три вывода. Очень часто такие усилители называют просто буферами. Дело в том, что они обладают свойствами изолятора (очень большой входной импеданс и крайне низкий выходной). Примерно по такому принципу строится и схема усилителя тока на операционном усилителе.

Активный режим работы

По сути, это такой режим работы, при котором выходы и входы операционного усилителя не перегружаются. Если на вход схемы подать очень большой сигнал, то на выходе его просто начнет резать по уровню напряжения коллектора или эмиттера. А вот когда на выходе напряжение фиксируется на уровне среза - на входах ОУ напряжение не меняется. При этом размах не может оказаться большим, нежели напряжение питания

Большая часть схем на операционных усилителях рассчитывается таким образом, что этот размах меньше питающего напряжения на 2 В. Но все зависит от того, какая используется конкретно схема усилителя на операционном усилителе. Такое же имеется ограничение на устойчивость на базе операционного усилителя.

Допустим, есть в источнике с плавающей нагрузкой некое падение по напряжению. В случае если ток имеет нормальное направление движения, можно встретить странную на первый взгляд нагрузку. Например, несколько переполюсованных батарей питания. Такая конструкция может применяться для того, чтобы получить прямой ток заряда.

Некоторые предосторожности

Простой усилитель напряжения на операционном усилителе (схема может быть выбрана любая) можно изготовить буквально "на коленке". Но потребуется учитывать некоторые особенности. Обязательно нужно удостовериться, что обратная связь в схеме отрицательная. Это также говорит о том, что недопустимо путать неинвертирующий и инвертирующий входы усилителя. Кроме того, должна присутствовать цепочка обратной связи для постоянного тока. Иначе операционный усилитель начнет быстро переходить в режим насыщения.

У большинства операционных усилителей входное дифференциальное напряжение очень маленькое по значению. При этом максимальная разность неинвертирующего и инвертирующего входов может ограничиваться значением 5 В при любом подключении источника питания. Если пренебречь данным условием, появятся на входе довольно большие значения токов, которые приведут к тому, что все характеристики схемы ухудшатся.

Самое страшное в этом - физическое разрушение самого операционного усилителя. В результате перестает работать схема усилителя на операционном усилителе полностью.

Следует учитывать

И, конечно же, нужно рассказать о правилах, которые стоит соблюдать, чтобы обеспечить стабильную и долговечную работу операционного усилителя.

Самое главное - ОУ обладает очень высоким коэффициентом усиления по напряжению. И если между входами напряжения изменятся на долю милливольт, на выходе его значение может измениться существенно. Поэтому важно знать: у операционного усилителя выход старается стремиться к тому, чтоб между входами разница напряжений оказалась близка (в идеале равна) к нулю.

Второе правило - потребление тока операционным усилителем крайне малое, буквально наноамперы. Если же на входах установлены полевые транзисторы, то оно исчисляется пикоамперами. Отсюда можно сделать вывод, что входы не потребляют ток, независимо от того, какой используется операционный усилитель, схема - принцип работы остается тем же.

Но не стоит думать, что ОУ действительно постоянно меняет на входах напряжение. Физически это осуществить почти нереально, так как не было бы соответствия со вторым правилом. Благодаря операционному усилителю происходит оценка состояния всех входов. При помощи схемы обратной внешней связи передается напряжение на вход с выхода. Результат - между входами операционного усилителя разница напряжений находится на уровне нуля.

Понятие обратной связи

Это распространенное понятие, и оно уже применяется в широких смыслах во всех областях техники. В любой системе управления имеется обратная связь, которая сравнивает выходной сигнал и заданное значение (эталонное). В зависимости от того, какое значение текущее - происходит корректировка в нужную сторону. Причем системой управления может быть что угодно, даже автомобиль, которые едет по дороге.

Водитель жмет на тормоза, и обратная связь здесь - начало замедления. Проведя аналогию с таким простым примером, можно лучше разобраться с обратной связью в электронных схемах. А отрицательная обратная связь - это если бы при нажимании педали тормоза автомобиль ускорялся.

В электронике обратной связью называют процесс, во время которого происходит передача сигнала с выхода на вход. При этом происходит также погашение сигнала на входе. С одной стороны, это не очень разумная идея, ведь может показаться со стороны, что значительно уменьшится коэффициент усиления. Такие отзывы, кстати, получали основоположники разработки обратной связи в электронике. Но стоит разобраться детальнее в ее влиянии на операционные усилители - практические схемы рассмотреть. И станет ясно, что она и правда немного уменьшает коэффициент усиления, но зато позволяет несколько улучшить остальные параметры:

1. Сгладить частотные характеристики (приводит их к необходимой).
2. Позволяет предсказывать поведение усилителя.
3. Способна устранить нелинейность и искажения сигнала.

Чем глубже обратная связь (речь идет про отрицательную), тем меньшее влияние оказывают на усилитель характеристики с разомкнутой ОС. Результат - все его параметры зависят только от того, какие свойства имеет схема.

Стоит обратить внимание на то, что все операционные усилители работают в режиме с очень глубокой обратной связью. А коэффициент усиления по напряжению (с ее разомкнутой петлей) может достигать даже нескольких миллионов. Поэтому схема усилителя на операционном усилителе крайне требовательна к соблюдению всех параметров по питанию и уровню входного сигнала.

Тема 11. Регуляторы координат в электроприводе

Важной функцией современных систем управления АЭП является регулирование его координат, т. е. поддержание с необходимой точностью требуемых значений тока, момента, ускорения, скорости. Основным элементом позволяющим выполнить указанную функцию, является регулятор.

р егулятор – это устройство, осуществляющее преобразование управляющего сигнала в соответствии с математической операцией, требуемой по условиям работы системы автоматического управления или регулирования. К типовым видам преобразования относятся: пропорциональное – П; пропорционально-интегральное – ПИ, пропорционально-интегро-дифференциальное – ПИД и ряд других.

Основу аналогового регулятора составляет операционный усилитель (ОУ) – усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления в разомкнутом состоянии. Наибольшее применение находят операционные усилители интегрального исполнения с корпусом круглой или прямоугольной формы. Операционный усилитель представляет собой многокаскадную структуру, в которой можно выделить входной дифференциальный усилитель ДУ с инвертирующим и прямым входами, усилитель напряжения УН, реализующий высокий коэффициент усиления, и усилитель мощности УМ, обеспечивающий необходимую нагрузочную способность операционного усилителя. Однокристальное малогабаритное исполнение операционного усилителя обусловливает высокую стабильность параметров, что позволяет получить высокий коэффициент усиления на постоянном токе. Интегральные ОУ, применяемые в промышленной электронике, обладают следующими характеристиками:

Дифференциальный коэффициент усиления в разомкнутом состоянии
k уо = 10 3 ¸ 10 5 ;

Входное сопротивление R вх > 100 кОм;

Выходное сопротивление R вых = 0,2 ¸1 кОм;

Сопротивление нагрузки R н > 2 кОм;

Полоса пропускания f п < 1 МГц;

Напряжение питания U п = ±15 В.

Для построения регуляторов обычно используют схему включения ОУ с инвертирующем входом, представленную на рис.11.1, которая имеет передаточную функцию

Используя активные и комплексные сопротивления во входной цепи (Z вх) и в обратной связи (Z ос) можно получать регуляторы с различными передаточными функциями.

Рассмотрим схемы, передаточные функции, логарифмические частотные характеристики (ЛАЧХ) и фазочастотные характеристики (ФЧХ) типовых регуляторов.

1. Пропорциональный (П-) регулятор – усилитель с жесткой отрицательной обратной связью.

Рис. 11.2. Схема П-регулятора и его характеристики

передаточная функция П-регулятора

– коэффициент усиления П–регулятора.

2. Интегральный регулятор (И-регулятор)

Рис. 11.3. Схема И-регулятора и его характеристики

передаточная функция И-регулятора

– постоянная интегрирования.

3.Пропорционально – интегральный регулятор (ПИ – регулятор) представляет собой параллельное соединение П- и И- регуляторов.

Рис. 11.4. Схема ПИ-регулятора и его характеристики

передаточная функция ПИ-регулятора

где

4. Пропорционально-дифференцирующий регулятор (ПД - регулятор).

Объединяет функции П- и Д- регуляторов. Получают параллельным подключением С вх к входному резистору R вх

Рис. 11.5. Схема ПД-регулятора и его характеристики

передаточная функция ПД-регулятора

где

Работа данной схемы сопровождается значительными высокочастотными помехами, для которых С вх представляет собой сопротивление, близкое к нулю. Для повышения устойчивости работы последовательно с конденсатором включают дополнительный резистор с небольшим сопротивлением ΔR вх, которое ограничивает токи высокочастотных помех. Передаточной функцией с ΔR вх:

где ΔТ =ΔR вх С вх, при ΔТ << Т 1 частотная характеристика практически не отличается от характеристики без ΔR вх.

5. Апериодический регулятор (инерционный первого порядка).

Рис. 11.6. Схема А-регулятора и его характеристики

передаточная функция А-регулятора

– постоянная времени апериодического звена.

Аналогичную передаточную функцию имеет схема (рис. 11.7).

Рис. 11.7. Схема А-регулятора (II вариант)

6. Пропорционально интегрально-дифференцирующий регулятор (ПИД). Выполняет функции одновременно трёх регуляторов.

Рис. 11.8. Схема ПИД- регулятора и его характеристики

передаточная функция ПИД-регулятора

где

Для снижения уровня помех на выходе регулятора и повышения устойчивости его работы последовательно с конденсатором С вх может быть включен резистор с небольшим сопротивлением ΔR вх (как для ПД регулятора).

Большими функциональными возможностями, по сравнению со стандартной схемой, имеет схема регулятора с функциональным потенциометром Z 1 , Z 2 . Для ослабления влияния помех на входе конденсаторы не используются, а включаются только активное сопротивление R вх.

ТИПОВЫЕ УСТРОЙСТВА СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Регуляторы

Важной функцией современных систем автоматики является регулирование ее координат, то есть под­держание с необходимой точностью требуемых их значений. Данная функция реализуется с помощью большого числа различных эле­ментов, первостепенное значение среди которых имеют регуляторы.

Регулятор выполняет преобразование управляющего сигнала, соответствующее математическим операциям, требуемым по условиям работы системы регулирования. К типовым требуемым операциям относятся следующие преобразования сигнала: пропорциональное, пропорцио­нально-интегральное, пропорционально-интегрально-диф-ференциаль­ное.

Основу аналогового регулятора составляет операци­онный усилитель - усилитель постоянного тока, который при отсутствии обратных связей имеет высо­кий коэффициент усиления. Наибольшее применение находят операционные усили­тели интегрального исполнения. Операционный усили­тель представляет собой многокаскадную структуру, в которой можно выделить, входной дифференциальный усилитель (ДУ ) с инверсным и прямым входами, усилитель напряжения (УН ), реализующий высокий коэффициент усиления, и усилитель мощности (УМ ), обеспечивающий необходимую нагрузочную способность операционного усилителя. Функциональная схема операционного усилителя приведена на рис. 4.1. Однокристальное малогабаритное исполнение операционного усилителя обусловливает вы­сокую стабильность параметров, что позволяет получить высокий коэффициент усиления на постоянном токе. Вы­веденные из схемы точки Kl, К2, КЗ предназначены для подключения внешних корректирующих цепей, снижаю­щих коэффициент усиления на высоких частотах и повышающих устойчивость работы усилителя с обратными связями. Без корректирующих цепей при достаточно больших частотах, когда накопившееся отставание по фазе составит 180°, знак обратной связи изменяется, и при большом коэффициенте усиления операционный уси­литель самовозбуждается и входит в режим автоколеба­ний. На рис. 4.1 использованы следующие обозначения: U п - напряжение питания усилителя; U уи - входное напряжение управления по инверсному входу усилителя; U уп - входное напряжение управления по прямому входу усилителя; U вых - выходное напряжение усилителя. Все указанные выше напряжения измеряются относительно общего провода двухполярного источника питания.

Схемы включения операционного усилителя приведены на рис. 4.2. Дифференциальный каскад операционного усилителя имеет два входа управления: прямой с потенциалом U уп и инверсный с потенциалом U уи (рис. 4.2, а ).

Выходное напряжение усилителя определяется произведением коэффициента усиления на разность потенциалов входов усилителя, то есть

U вых = k уо (U уп - U уи) = k уо U у ,

где k уо - дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя; U у - дифференциальное входное напряжение усилителя, то есть напряжение между прямым и инверсным входами. Дифференциальный коэффициент усиления интегральных операционных усилителей при отсутствии обратных связей .

Относительно входных напряжений U вхп и U вхи выходное напряжение определяется разностью

U вых = k уп U вхп - k уи U вхи ,

где коэффициенты усиления по прямому входу k уп и по инверсному входу k уи определяются схемой включения усилителя. Для схемы включения по прямому входу, приведенной на рис. 4.3, б , коэффициент усиления определяется по формуле

,

а для схемы включения по инверсному входу, приведенной на рис. 4.3, в , - по формуле

Для построения различных схем регуляторов обычно используется схема включения операционного усилителя с инверсным входом. Как правило, регуляторы должны иметь несколько входов. Входные сигналы подаются в точку 1 (рис. 4.2, в ) через индивидуальные входные сопротивления. Требуемые передаточные функции регуляторов получаются за счет комплексных активно-емкостных сопротивлений в цепи обратной связи Z ос и во входных цепях Z вх . Передаточная функция регулятора относительно любого из входов без учета инверсии выходного напряжения

. (4.1)

В зависимости от вида передаточной функции операционный усилитель может рассматриваться как тот или другой функциональный регулятор. В дальнейшем для реализации регуляторов будем рассматривать только схемы включения по инверсному входу.

Пропорциональный регулятор (П-регулятор) - это операционный усилитель с жесткой обратной связью, приведенный на рис. 4.3, а . Его передаточная функция

W(p) = k П, (4.2)

где k П - коэффициент усиления П-регулятора.

Как следует из передаточной функции (4.2), в пределах полосы пропускания операционного усилителя логарифмическая амплитудная частотная характеристика (ЛАЧХ) П-регулятора параллельна оси частот w , а фаза равна нулю (рис. 4.3, б ).

Интегральный регулятор (И-регулятор) получается включением конденсатора в обратную связь, как показано на рис. 4.4, а , при этом выполняется интегрирование входного сигнала и передаточная функция регулятора

, (4.3)

где T и = R вх C ос - постоянная интегрирования.

Как следует из (4.3), фазовый сдвиг выходного сигнала равен -p / 2, ЛАЧХ имеет наклон -20 дБ /дек, а логарифмическая фазовая частотная характеристика (ЛФЧХ) параллельна оси частот w (рис. 4.4, б ).

Пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор) получается путем параллельного соединения П- и И-регуляторов, то есть

Получить передаточную функцию (4.4) можно на одном операционном усилителе включением в его обратную связь активно-емкостного сопротивления Z ос (p) = R ос (p) + + 1 / (C ос p) , как показано на рис. 4.5, а .

Тогда в соответствии с (4.1)

,

где T 1 = R ос C ос ; T И = R вх C ос ; k П = R ос / R вх .

Логарифмические частотные характеристики ПИ-регулятора приведены на рис. 4.5, б .

Пропорционально-дифференциальный регулятор (ПД-регулятор) получается параллельным соединением П-регулятора и дифференциального Д-регулятора, то есть

W ПД (p) = k П + T Д p = k П (T 1 p+1). (4.5)

Передаточная функция (4.5) получается путем подключения конденсатора к входному резистору операционного усилителя, как показано на рис. 4.6, а . Тогда с учетом (4.1) имеем

где T 1 = R вх C вх ; k П = R ос / R вх .

Логарифмические частотные характеристики ПД-регулятора приведены на рис. 4.6, б .

Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД-регулятор). Этотрегуляторполучается путем параллельного включения трех регуляторов - П-регулятора, И-регулятора и Д-регулятора. Его передаточная функция имеет вид

. (4.6)

Передаточная функция (4.6) всегда может быть реализована параллельным включением ПД-регулятора и И-регулятора, имеющих, соответственно, передаточные функции (4.5) и (4.3). При этом схема ПИД-регулятора может быть выполнена на трех операционных усилителях. Первый усилитель реализует функцию ПД-регулятора (рис. 4.6, а ), второй усилитель - функцию И-регулятора (рис. 4.4, а ), третий усилитель (рис. 4.3, а ) - функцию суммирования выходных выходных сигналов первого и второго усилителей.

Если на параметры k П , T И и T Д наложить ограничение

то передаточная функция (4.6) может быть записана в виде

, (4.7)

где k П = (T 1 +T 2) / T И ; Т Д = (T 1 T 2) / T И .

ПИД-регулятор с передаточной функцией (4.7) представляет собой последовательное включение ПД-регулятора и ПИ-регулятора и может быть реализован на одном операционном усилителе с сопротивлением в цепи обратной связи

Z ос (p) = R ос + 1/(C ос p)

и сопротивлением во входной цепи

.

При этом постоянные времени регулятора T 1 = R вх C вх , T 2 =R ос C ос , T 0 =R вх C ос .

Схема ПИД-регулятора на одном усилителе приведена на рис. 4.7, а , а его логарифмические частотные характеристики на рис. 4.7, б .

Рассмотренные схемы ПД-регулятора и ПИД-регулятора имеют во входных цепях усилителя конденсаторы, которые для высокочастотных помех представляют собой сопротивление, близкое к нулю. Для повышения устойчивости регуляторов последовательно с конденсатором можно включать дополнительный резистор с небольшим сопротивлением (не менее, чем на один порядок меньшим емкостного сопротивления конденсатора).

Регуляторы, их работа и технические реализации более подробно рассмотрены в /1/.

Вопросы для самопроверки

1. Какую функцию выполняют регуляторы систем автоматики?

2. Какие типовые преобразования управляющего сигнала производят регуляторы систем автоматики?

3. Что является основой построения большинства современных аналоговых регуляторов?

4. Какие основные свойства характерны для операционных усилителей?

5. Что является входными координатами типового операционного усилителя?

6. Что является выходной координатой типового операционного усилителя?

7. Какие составляющие части входят в функциональную схему операционного усилителя?

8. Назовите типовые схемы включения операционных усилителей.

9. Какая типовая схема включения операционного усилителя используется обычно для реализации регуляторов?

10. Приведите передаточную функцию операционного усилителя для схемы включения по инвертирующему входу.

11. Какой элемент содержит пропорциональный регулятор в цепи обратной связи операционного усилителя?

12. Какой элемент содержит пропорциональный регулятор во входной цепи операционного усилителя?

13. Приведите передаточную функцию пропорционального регулятора.

14. Какой вид имеют амплитудная частотная и фазовая частотная характеристики пропорционального регулятора?

15. Какой элемент содержит интегральный регулятор в цепи обратной связи операционного усилителя?

16. Какой элемент содержит интегральный регулятор во входной цепи операционного усилителя?

17. Приведите передаточную функцию интегрального регулятора.

18. Какой наклон имеет логарифмическая амплитудная частотная характеристика интегрального регулятора?

19. Какой вид имеет фазовая частотная характеристика интегрального регулятора?

20. Какие элементы содержит цепь обратной связи операционного усилителя пропорционально-интегрального регулятора?

21. Какой элемент содержит входная цепь операционного усилителя пропорционально-интегрального регулятора?

22. Приведите передаточную функцию пропорционально-интегрального регулятора.

23. Какой элемент содержит цепь обратной связи операционного усилителя пропорционально-дифференциального регулятора?

24. Приведите передаточную функцию пропорционально-дифференциального регулятора.

25. При каких ограничениях на параметры пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора он реализуется на одном операционном усилителе?

26. Какие элементы содержит входная цепь пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора, выполненного на одном операционном усилителе?

27. Какие элементы содержит цепь обратной связи пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора, выполненного на одном операционном усилителе?

Задатчики интенсивности

Типовым задающим блоком в системах управления электроприводами и в других системах автоматики является интегрозадающее устройство или задатчик интенсивности (ЗИ). Задача ЗИ - сформи­ровать плавное изменение задающего сигнала при пере­ходе от одного уровня к другому, а именно создать ли­нейное нарастание и спадание сигнала с требуемым тем­пом. В установившемся режиме напряжение на выходе задатчика интенсивности равно напряжению на его входе.

На рис. 4.8 представлена структурная схема однократно интегрирующего ЗИ, состоящая из трех операционных усилителей. Все усилители включены по схеме с инвертирующим входом. Первый усилитель У1, работающий без обратной связи, но с ог­раничением по выходному напряжению U 1 , имеет харак­теристику прямоугольной формы, которая приведена без учета инверсии выходного напряжения на рис. 4.9, а . Второй операционный усилитель У2 работает интегратором с постоянным темпом интегрирования

(4.8)

Темп интегрирования может регулироваться измене­нием R вх2 . Третий усилитель У3 формирует отрицатель­ное напряжение обратной связи

. (4.9)

При подаче на вход задающего напряжения U з вы­ходное напряжение линейно возрастает согласно (4.8). В момент времени t=t п, когда U з = - U ос, интегрирование прекращается, и выходное напряжение, как следует из (4.9), достигнув значения , остается далее неизменным. При снятии со входа задающего напряжения (U з = 0) происходит процесс линейного уменьшения выходного напряжения до нулевого значения (рис. 4.9, б ).

Скорость изменения выходного напряжения этого ЗИ, как следует из (4.8), может меняться либо изменением величины напряжения U 1 , например, путем выбора стабилитронов в цепи обратной связи усилителя У1 с напряжением стабилизации, равным требуемому значению U 1 , либо изменением величины произведения R вх2 C ос2 .

На рис. 4.10, а приведена еще одна схема однократно интегрирующего ЗИ, выполненная на основе биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой. В этой схеме используют свой­ства транзистора (Т ) как усилителя тока. Перезаряд конденсатора (С ) всегда происходит при неизменном по величине токе коллектора i к , определяемом заданным током эмиттера i э . При этом скорость изме­нения во времени напряжения u вых на выходе ЗИ |du вых /dt | = i к /C . Ха­рактеристика управления ЗИ u вых = = f(t) показана на рис. 4.10, б . Скорость изменения выходного сигнала может регулироваться изменением напряжения U э , пропорционально которому изменяется ток i э и, соответственно, ток i к , или изменением емкости конденсатора. В установившемся режиме конденсатор всегда заряжен до напряжения u вх . Выпрямительный мост обеспечивает постоянство направления тока коллектора транзистора независимо от знака напря-жения u вх . ЗИ подробно рассмотрены в /1, 7/.

Вопросы для самопроверки

1. С какой целью используются задатчики интенсивности в схемах автоматики?

2. Что является входной и выходной координатами задатчика интенсивности?

3. Чему равен статический коэффициент усиления задатчика интенсивности?

4. Как должно изменяться напряжение на выходе однократно интегрирующих задатчиков интенсивности при ступенчатых изменениях входного напряжения?

5. На основе каких усилителей строятся интегрирующие задатчики интенсивности?

6. Сколько операционных усилителей, включенных по инверсному входу, необходимо для реализации однократно интегрирующего задатчика интенсивности?

7. Укажите назначение каждого из трех операционных усилителей в типовой схеме однократно интегрирующего задатчика интенсивности, выполненной на микросхемах.

8. Какие параметры влияют на скорость изменения выходного напряжения однократно интегрирующего задатчика интенсивности на трех операционных усилителях?

9. Благодаря чему достигается линейное изменение напряжения на конденсаторе в схеме однократно интегрирующего транзисторного задатчика интенсивности?

10. Какие параметры влияют на скорость изменения выходного напряжения однократно интегрирующего транзисторного задатчика интенсивности?

Согласующие элементы

Функциональные элементы в составе систем управ­ления могут быть разнородными по типу сигнала, роду тока, по со­противлениям и мощности и по другим показателям. Поэтому при соединении элементов возникает задача согласования их характери­стик. Эту задачу решают согласующие элементы. К дан­ной группе элементов относятся фазовые детекторы, со­гласующие род тока, цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи, согласующие тип сигнала, эмиттерные повторители, согласующие входные и выход­ные сопротивления, усилители мощности, гальванические разделители и другие элементы. Функцию согласования могут выполнять также элементы, нормально предна­значенные для других целей. Например, рассмотренный в п. 4.1 операционный усилитель оказывается эмиттерным повторителем относительно неинвертируемого входа при подключении выходного напряжения на инвертируемый вход.

Для гальванического разделения может быть, например, использован трансформаторный датчик напряжения. Такие и подобные им элементы оказываются очевидными или известными и рассматриваться не будут.

Рассмотрим более сложные типовые согласующие элементы.

Фазовый детектор (ФД) в научно-технической лите­ратуре получил ряд других названий: фазочувствительный усилитель, фазочувствительный выпрямитель, фазовый дискриминатор, демодулятор.

Назначение ФД - преобразование входного напряжения переменного тока U вх в выходное напряжение постоянного тока U вых , полярность и амплитуда которого зависят от фазы входного напряжения j . Таким образом, ФД имеет две входные координаты: амплитуду входного напряжения U вх m и фазу входного напряжения j и одну выходную координату: среднее значение выходного напряжения U вых . Различают два режима работы ФД: амплитудный режим, когда фаза входного напряжения остается постоянной, принимая одно из двух значений 0 или p , U вх m = var и U вых = f(U вх m); фазовый режим, когда U вх = const, j = var и U вых = f(j).

В амплитудном режиме ФД применяется как преобразователь сигнала рассогласования переменного тока в управляющий сигнал в следящих приводах постоянного тока, как преобразователь выходного сигнала тахогенератора переменного тока и так далее. В фазовом режиме ФД приме­няется в системах управления, в которых контролируе­мой и управляющей величиной является плавно изменяющаяся фаза.

На фазовый детектор, как правило, не возлагается функция усиления напряжения.

Поэтому коэффициент усиления ФД близок к единице. На рис. 4.11 изображена расчетная схема замещения двухполупериодного ФД. Схема соответствует нулевой схеме выпрямления, в которой вентили заменены функциональными ключами K1 и К2. Сопротивление нагруз­ки R н, на котором выделяется выходное напряжение, соединяет средние точки а , 0 ключей и источников ЭДС управления e у. В каждый контур введено внутреннее сопротивление источника ЭДС управления R у. Состоя­нием ключей управляет опорная ЭДС e оп в соответствии с алгоритмом: для е оп > 0 К1 включен, то есть его

коммутационная функция y к1 = 1,а К2 отключен, то есть его коммутационная функция y к2 = 0. Для e оп < 0 y к1 = 0, а y к2 = 1. Дан­ный алгоритм может быть представлен формулами

y к 1 = (1+sign e оп) /2; y к 2 = (1- sign e оп) /2 . (4.10)

Очевидно, что при замкнутом К1 выходная ЭДС e вых между точками а , 0 равна e у, а при замкнутом К2 e вых = - e у , то есть

e вых = e у y к1 - e у y к2 . (4.11)

Подстановка (4.10) в (4.11) даст

e вых = e у sign e оп . (4.12)

Соответствующая алгоритмам (4.11) и (4.12) диа­грамма изменения выходной ЭДС приведена на рисунке 4.12.

e оп = E оп m sinwt и e у = E у m sin(wt - j),

где E оп m , E у m - амплитудные значения опорной ЭДС и ЭДС управления; w - угловая частота опорной ЭДС и ЭДС управления, то среднее значение выпрямленной выходной ЭДС

. (4.13)

Так как E у m = k п U вх m , среднее значение выходного напряжения , то с учетом (4.13)

, (4.14)

где k п - коэффициент передачи от входного напряжения к ЭДС управления. Он определяется особенностями конкретной принципиальной схемы ФД.

Для j = const = 0 или j = const = p имеет место амплитудный режим работы ФД, для которого характеристика управления прямолинейна:

U вых = k ФД U вх ,

где с учетом (4.14) коэффициент усиления ФД в амплитудном режиме

.

При j = 0 значения выходных напряжений U вых положительны, а при j = p значения выходных напряжений отрицательны.

Для U вх = const и j = var имеет место фазовый режим ФД, для которого характеристика управления имеет вид

U вых = k " ФД cosj = k " ФД sinj " ,

где j " = p/2 - j , а коэффициент передачи ФД в фазовом режиме с учетом (4.14)

;

При малых j " характеристика управления

Работа ФД, их характеристики и принципиальные схемы рассмотрены в /1/.

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП). Преобразователь согласует цифровую часть системы управле­ния с аналоговой. Входная координата ЦАП - двоичное многоразрядное число A n = a n -1 …a i …a 1 a 0 , а выходная ко­ордината - напряжение U вых , формируемое на основе опорного напряжения U оп (рис. 4.13).

Схемы ЦАП строятся на основе резисторной матрицы, с помощью которой происходит суммирование токов или напряжений так, что выходное напряжение пропорцио­нально входному числу. В составе ЦАП можно выделить три основные части: резисторную матрицу, электронные ключи, управляемые входным числом, и суммирующий усилитель, формирующий выходное напряжение. На рис. 4.14 приведена простая схема нереверсивного ЦАП. Каждому разряду входного двоичного числа An соответ­ствует сопротивление

R i = R 0 / 2 i , (4.15)

где R 0 -сопротивление младшего разряда.

Резистор R i подключается к источнику питания с опор­ным напряжением U оп через электронный ключ K i , кото­рый замкнут при a i =1и разомкнут при a i = 0.Очевидно, что в зависимости от значения a i сопротивление вход­ной цепи для i- гo разряда c учетом (4.15) определится выражением

R i = R 0 /(2 i a i) . (4.16)

Тогда для а i = 0 , то есть цепь разорвана, а для a i =1 цепь включена и имеет сопротивление R 0 /2 i .

В схеме на рис. 4.14 операционный усилитель У суммирует входные токи и его выходное напряжение с учетом обозначений схемы и выражения (4.16)

Выражение (4.17) вида U вых = f(A n) - это характеристика управления ЦАП. Она имеет ступенчатую форму с дискретностью по напряжению, соответствующей единице младшего разряда,

ΔU 0 = R ос U оп / R 0 = k ЦАП .

Величина ΔU 0 является одновременно и усредненным передаточным коэффициентом ЦАП k ЦАП .

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) решает обратную задачу - преобразует непрерывное по форме входное напряжение в число, например, двоичное. Каж­дому выходному многоразрядному двоичному числу A i соответствует диапазон изме­нения входного напряжения:

, (4.18)

где U эi = ΔU 0 i - эталонное значение выходного напряжения, соответствующее выходному двоичному числу A i ; ΔU 0 - дискретность по выходному напряжению, соответствующая единице младшего разря­да выходного числа.

При n -разрядном АЦП общее число отличных от ну­ля эталонных уровней входного напряжения, отличаю­щихся друг от друга на ΔU 0 , равно максимальному вы­ходному десятичному числу N=2 n - 1 . Так как каждый уровень U э i ,согласно (4.18), несет в себе информацию о числе, то в работе АЦП можно выделить основные операции: срав­нение входного и эталонного напряжений, определение номера уровня, формирование выходного числа в задан­ном коде. Усредненный передаточный коэффициент АЦП определяется как обратная величина соответствующего коэффициента ЦАП:

k АЦП = 1 / ΔU 0 .

Тогда уравнение характеристики управления АЦП можно записать в виде

Характеристика управления АЦП имеет ступенчатую форму.

Схемы реализации АЦП можно разделить на два ос­новных типа: параллельного действия и последователь­ного действия.

Основное достоинство АЦП параллельного действия - высокое быстродействие. Преобразование аналогового входного напряжения в десятичное многоразрядное число происходит всего за два такта работы цифровых элементов схемы. Основной недостаток таких АЦП - большое число аналоговых компараторов и триггеров в составе схемы, равное 2 n - 1 , что делает многоразрядные АЦП параллельного типа чрезмерно дорогостоящими.

Существенно меньшие аппаратурные затраты требу­ются в АЦП последовательного действия. На рис. 4.15 приведена схема следящего АЦП, относящаяся к группе схем последовательного действия. На схеме использованы не упомянутые раньше обозначения: ГТИ - генератор тактовых импульсов, СР - реверсивный счетчик, К - компаратор, Р - выходной регистр. Обозначения логических элементов И , ИЛИ-НЕ общепринятые.

Сравнение U вх и U э вы­полняется на комбинированном аналоговом компараторе с двумя выходами: «больше» (>) и «меньше» (<). Если U вх - U э >ΔU 0 / 2, то единичный сигнал оказывается на выходе >, при этом элемент И 1 проводит тактовые им пульсы на суммирующий вход (+1) реверсивного счет­чика СР. Растет выходное число СР , и соответственно увеличивается U э, формируемое ЦАП. Если U вх - U э < ΔU 0 /2 , то единичный сигнал появляется на выходе < , при этом импульсы от генератора тактовых импульсов через элемент И 2 проходят на вход вычитания (-1) счетчика СР и U э уменьшается. При выполнении условия |U вх - U э | = ΔU 0 /2 на обоих вы­ходах К выделяются нулевые сигналы и элементы И 1 и И 2 оказываются запертыми для тактовых импульсов. Счет­чик прекращает считать, и остающееся на его выходе не­изменным число появляется на выходе регистра Р. Раз­решение на запись числа в регистр дает единичный сиг­нал элемента ИЛИ -НЕ , включенного на два выхода К. Рассматривая данную схему относительно U вх и U э, можно установить, что АЦП представляет собой замкну­тую по выходной координате систему регулирования с ре­гулятором К релейного действия. Система отслеживает эталонным напряжением на выходе ЦАП изменение вход­ного напряжения с установившейся точностью ±U 0 /2 и выдает на цифровом выходе число, соответствующее U вх. Следящий АЦП позволяет быстро преобразовать только доста­точно медленное изменение входного напряжения.

Основной недостаток рассмотренного АЦП - плохое быстродействие. В са­мом неблагоприятном случае, когда скачком задано мак­симальное напряжение на входе, для выдачи соответствующей вы­ходной величины в цифровом коде потребуется 2 n - 1 тактов. Некоторые схемы ЦАП и АЦП и их работа рассмотрены в /1/.

Вопросы для самопроверки

1. Для чего используются в системах автоматики согласующие элементы?

2. Какое преобразование осуществляется фазовым детектором?

3. В каких режимах может работать фазовый детектор?

4. Что является входными координатами фазового детектора?

5. Что является выходной координатой фазового детектора?

6. Что такое амплитудный режим работы фазового детектора?

7. Что такое фазовый режим работы фазового детектора?

8. Для чего могут использоваться фазовые детекторы в системах автоматики?

9. Приведите формулу характеристики управления фазового детектора, работающего в амплитудном режиме.

10. Какое преобразование осуществляется цифрроаналоговым преобразова-телем?

11. Что является входной и выходной координатами цифроаналогового преобразователя?

12. Из каких основных частей состоит схема цифроаналогового преобразователя?

13. Приведите формулы для расчета характеристики управления цифро-аналогового преобразователя и его усредненного коэффициента передачи.

14. Какой вид имеет характеристика управления цифроаналогового преобразователя?

15. Какое преобразование осуществляется аналого-цифровым преобразователем?

16. Что является входной и выходной координатами аналого-цифрового преобразователя?

17. Приведите формулы для расчета характеристики управления аналого-цифрового преобразователя и его усредненного коэффициента передачи.

18. Каких типов бывают аналого-цифровые преобразователи?

19. В чем основные достоинства и недостатки аналого-цифровых преобразователей параллельного действия?

20. В чем основные достоинства и недостатки аналого-цифровых преобразователей последовательного действия?

21. Для чего в схеме следящего аналого-цифрового преобразователя используется цифроаналоговый преобразователь?

22. Чему равна максимальная установившаяся абсолютная ошибка преобразования следящего аналого-цифрового преобразователя?

ДАТЧИКИ

Вопросы для самопроверки

1. Что является входной и выходной координатами датчика угла поворота?

2. Что является входной и выходной координатами датчика угла рассогласования?

3. В каких системах могут применяться датчики угла и датчики рассогласования?

4. Сколько обмоток и где имеет трехфазный контактный сельсин?

5. Что является входной и выходными координатами сельсина?

6. В каких режимах может работать сельсин?

7. Что такое амплитудный режим работы сельсина?

8. Что такое фазовый режим работы сельсина?

9. Приведите формулу для расчета характеристики управления сельсина в амплитудном режиме работы.

10. Приведите формулу для расчета характеристики управления сельсина в фазовом режиме работы.

11. Какими факторами определяются статические погрешности сельсина, искажающие его характеристику управления?

12. Чем вызвана скоростная погрешность датчика угла поворота на основе сельсина?

13. В каком режиме работают сельсин-датчик и сельсин-приемник в схеме датчика угла рассогласования, если в качестве его выходных координат используются амплитудное значение ЭДС ротора сельсина-приемника и фаза этой ЭДС?

14. Приведите формулу для расчета характеристики управления датчика рассогласования на основе двух сельсинов, работающих в трансформаторном режиме.

15. Что является основными недостатками датчиков угла поворота на основе сельсина?

16. С какой целью на входе датчиков угла поворота используются понижающие измерительные редукторы?

17. С какой целью на входе датчиков угла поворота используются повышающие измерительные редукторы?

18. Как изменяется погрешность измерения угла при использовании понижающих измерительных редукторов?

19. Когда целесообразно использование дискретных датчиков угла?

20. Какие основные элементы присутствуют в конструкции цифрового датчика угла поворота на основе кодового диска?

21. Почему характеристика управления цифрового датчика угла поворота на основе кодового диска имеет ступенчатый характер?

22. Приведите формулу для расчета интервала дискретности цифрового датчика угла поворота на основе кодового диска.

23. Приведите формулу для расчета абсолютной погрешности цифрового датчика угла поворота на основе кодового диска.

24. Путем каких конструкционных мер можно увеличить разрядность цифрового датчика угла поворота на основе кодового диска?

Датчики угловой скорости

Тахогенератор постоянного тока представляет собой электрическую машину постоянного тока с независимым возбуждением или постоянными магнитами (рис. 5.6). Входная координата ТГ- угловая скорость w , выход­ная - напряжение U вых , выделяемое на сопротивлении нагрузки.

E тг = kФw = I(R тг +R н),

Передаточный коэффициент ТГ, В/рад; k = рN/ (2p а) - конструктивная постоянная; Ф - магнит­ный поток возбуждения; R тг - сопротивление якор­ной обмотки и щеточного контакта.

Передаточный коэффициент ТГ, строго говоря, не ос­тается постоянным при изменении скорости из-за нели­нейности сопротивления щеточного контакта и реакции якоря. Поэтому в характеристике управления наблюда­ется определенная нелинейность в зонах малой и боль­шой скоростей (рис. 5.6, б ). Нелинейность в зоне ма­лой скорости уменьшают применением металлизирован­ных щеток с малым падением напряжения. Нелинейность характеристики из-за реакции якоря снижается ограни­чением сверху скорости и увеличением сопротивления нагрузки. При выполнении указанных мероприятий ха­рактеристику управления ТГ можно считать практиче­ски прямолинейной.

Операционные усилители являются одними из основных компонентов в современных аналоговых электронных устройствах. Благодаря простоте расчетов и отличным параметрам, операционные усилители легки в применении. Их также называют дифференциальными усилителями, так как они способны усилить разность входных напряжений.

Особенно популярно использование операционных усилителей в звуковой технике, для усиления звучания музыкальных колонок.

Обозначение на схемах

Из корпуса усилителя обычно выходят пять выводов, из которых два вывода – входы, один – выход, остальные два – питание.

Принцип действия

Существуют два правила, помогающие понять принцип действия операционного усилителя:

1. Выход операционного усилителя стремится к нулевой разности напряжений на входах.
2. Входы усилителя не расходуют ток.

Первый вход обозначен «+», он называется неинвертирующим. Второй вход обозначен знаком «–», считается инвертирующим.

Входы усилителя имеют высокое сопротивление, называемое импедансом. Это позволяет расходовать ток на входах в несколько наноампер. На входе происходит оценка величины напряжений. В зависимости от этой оценки усилитель выдает на выход усиленный сигнал.

Большое значение имеет коэффициент усиления, который иногда достигает миллиона. Это означает, что если на вход подать хотя бы 1 милливольт, то на выходе напряжение будет равно величине напряжения источника питания усилителя. Поэтому операционники не применяют без обратной связи.

Входы усилителя действуют по следующему принципу: если напряжение на неинвертирующем входе будет выше напряжения инвертирующего входа, то на выходе окажется наибольшее положительное напряжение. При обратной ситуации на выходе будет наибольшее отрицательное значение.

Отрицательное и положительное напряжение на выходе операционного усилителя возможно из-за использования источника питания, обладающего расщепленным двуполярным напряжением.

Питание операционного усилителя

Если взять пальчиковую батарейку, то у нее два полюса: положительный и отрицательный. Если отрицательный полюс считать за нулевую точку отсчета, то положительный полюс покажет +1,5 В. Это видно по подключенному .

Взять два элемента и подключить их последовательно, то получается следующая картина.

Если за нулевую точку принять отрицательный полюс нижней батарейки, а напряжение измерять на положительном полюсе верхней батарейки, то прибор покажет +10 вольта.

Если за ноль принять среднюю точку между батарейками, то получается источник двуполярного напряжения, так как имеется напряжение положительной и отрицательной полярности, равной соответственно +5 вольта и -5 вольта.

Существуют простые схемы блоков с расщепленным питанием, использующиеся в конструкциях радиолюбителей.

Питание на схему подается от бытовой сети. Трансформатор понижает ток до 30 вольт. Вторичная обмотка в середине имеет ответвление, с помощью которого на выходе получается +15 В и -15 В выпрямленного напряжения.

Разновидности

Существует несколько разных схем операционных усилителей, которые стоит рассмотреть подробно.

Инвертирующий усилитель

Такая схема является основной. Особенностью этой схемы является то, что операционники характеризуются кроме усиления, еще и изменением фазы. Буква «k» обозначает параметр усиления. На графике изображено влияние усилителя в данной схеме.

Синий цвет отображает входной сигнал, а красный цвет – выходной сигнал. Коэффициент усиления в этом случае равен: k = 2. Амплитуда сигнала на выходе в 2 раза больше, сигнала на входе. Выходной сигнал усилителя перевернут, отсюда и его название. Инвертирующие операционные усилители имеют простую схему:

Такие операционные усилители стали популярными из-за своей простой конструкции. Для вычисления усиления применяют формулу:

Отсюда видно, что усиление операционника не зависит от сопротивления R3, поэтому можно обойтись без него. Здесь он применяется для защиты.

Неинвертирующие операционные усилители

Эта схема подобна предыдущей, отличием является отсутствие инверсии (перевернутости) сигнала. Это означает сохранение фазы сигнала. На графике изображен усиленный сигнал.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя также равен: k = 2. На вход подается сигнал в форме синусоиды, на выходе изменилась только ее амплитуда.

Эта схема не менее простая, чем предыдущая, в ней имеется два сопротивления. На входе сигнал подается на плюсовой вывод. Для расчета коэффициента усиления требуется использовать формулу:

Из нее видно, что коэффициент усиления не бывает меньше единицы, так как сигнал не подавляется.

Схема вычитания

Эта схема дает возможность создания разности двух сигналов на входе, которые могут быть усилены. На графике показан принцип действия дифференциальной схемы.

Такую схему усилителя еще называют схемой вычитания.

Она имеет более сложную конструкцию, в отличие от рассмотренных ранее схем. Для расчета выходного напряжения пользуются формулой:

Левая часть выражения (R3/R1) определяет коэффициент усиления, а правая часть (Ua – Ub) является разностью напряжений.

Схема сложения

Такую схему называют интегрированным усилителем. Она противоположна схеме вычитания. Особенностью ее является возможность обработки больше двух сигналов. На таком принципе действуют все звуковые микшеры.

Эта схема показывает возможность суммирования нескольких сигналов. Для расчета напряжения применяется формула:

Схема интегратора

Если в схему добавить конденсатор в обратную связь, то получится интегратор. Это еще одно устройство, в котором используются операционные усилители.

Схема интегратора подобна инвертирующему усилителю, с добавлением емкости в обратную связь. Это приводит к зависимости работы системы от частоты сигнала на входе.

Интегратор характеризуется интересной особенностью перехода между сигналами: сначала прямоугольный сигнал преобразуется в треугольный, далее он переходит в синусоидальный. Расчет коэффициента усиление проводится по формуле:

В этой формуле переменная ω = 2π f повышается с возрастанием частоты, следовательно, чем больше частота, тем коэффициент усиления меньше. Поэтому интегратор может действовать в качестве активного фильтра низких частот.

Схема дифференциатора

В этой схеме получается обратная ситуация. На входе подключена емкость, а в обратной связи подключено сопротивление.

Судя по названию схемы, ее принцип работы заключается в разнице. Чем больше скорость изменения сигнала, тем больше величина коэффициента усиления. Этот параметр дает возможность создавать активные фильтры для высокой частоты. Коэффициент усиления для дифференциатора рассчитывается по формуле:

Это выражение обратно выражению интегратора. Коэффициент усиления повышается в отрицательную сторону с возрастанием частоты.

Аналоговый компаратор

Устройство компаратора сравнивает два значения напряжения и переводит сигнал в низкое или высокое значение на выходе, в зависимости от состояния напряжения. Эта система включает в себя цифровую и аналоговую электронику.

Особенностью этой системы является отсутствие в основной версии обратной связи. Это означает, что сопротивление петли очень велико.

На плюсовой вход подается сигнал, а на минусовой вход подается основное напряжение, которое задается потенциометром. Ввиду отсутствия обратной связи коэффициент усиления стремится к бесконечности.

При превышении напряжения на входе величины основного опорного напряжения, на выходе получается наибольшее напряжение, которое равно положительному питающему напряжению. Если на входе напряжение будет меньше опорного, то выходным значением будет отрицательное напряжение, равное напряжению источника питания.

В схеме аналогового компаратора имеется значительный недостаток. При приближении значений напряжения на двух входах друг к другу, возможно частое изменение выходного напряжения, что обычно приводит к пропускам и сбоям в работе реле. Это может привести к нарушению работы оборудования. Для решения этой задачи применяют схему с гистерезисом.

Аналоговый компаратор с гистерезисом

На рисунке показана схема действия схемы с , которая аналогична предыдущей схеме. Отличием является то, что выключение и включение не происходит при одном напряжении.

Направление стрелок на графике указывает направление перемещения гистерезиса. При рассмотрении графика слева направо видно, что переход к более низкому уровню осуществляется при напряжении Uph, а двигаясь справа налево, напряжение на выходе достигнет высшего уровня при напряжении Upl.

Такой принцип действия приводит к тому, что при равных значениях входных напряжений, состояние на выходе не изменяется, так как для изменения требуется разница напряжений на существенную величину.

Такая работа схемы приводит к некоторой инертности системы, однако это более безопасно, в отличие от схемы без гистерезиса. Обычно такой принцип действия применяется в нагревательных приборах с наличием термостата: плиты, утюги и т.д. На рисунке изображена схема усилителя с гистерезисом.

Напряжения рассчитываются по следующим зависимостям:

Повторители напряжения

Операционные усилители часто применяются в схемах повторителей напряжения. Основной особенностью этих устройств является то, что в них не происходит усиления или ослабления сигнала, то есть, коэффициент усиления в этом случае равен единице. Такая особенность связана с тем, что петля обратной связи имеет сопротивление, равное нулю.

Такие системы повторителей напряжения чаще всего используются в качестве буфера для увеличения нагрузочного тока и работоспособности устройства. Так как входной ток приближен к нулю, а ток на выходе зависит от вида усилителя, то есть возможность разгрузки слабых источников сигнала, например, некоторых датчиков.

Для упрощения процесса построения регулятора тока на операционных усилителях, преобразуем его ПФ (8) следующим образом:

(8")

Первое слагаемое в (8") представляет собой произведение изодромного и апериодического звеньев, второе - это апериодическое звено, третье - инерционное дифференцирующее звено. Из курса "Электроники" известно, как собрать на операционных усилителях эти звенья.

Рисунок 10 - Регулятор тока на операционных усилителях

Схема, как видно, состоит из трех параллельных ветвей, замыкающихся выходами на инвертирующий сумматор на операционном усилителе, поэтому выходной сигнал u 2 будет инвертирован относительно входногоu 1 . В случае необходимости согласованияu 1 иu 2 потребуется поставить дополнительно на выходе сумматора инвертор. Этот прием был применен в средней ветви схемы, поскольку апериодическое звено построено на инвертирующем операционном усилиителе. Верхняя ветвь отвечает за ПФ
. Произведение изодромного и апериодического звеньев сделано путем последовательного соединения их схем на инвертирующих операционных усилителях, и так как каждое звено инвертирует сигнал, то согласования входа и выхода верхней ветви не требуется. Нижняя ветвь, реализующая инерционное динамическое звено, входной сигнал не инвертирует.

Рассчитаем параметры схемы. Известно, что

Задав R 1 =R 3 =R 5 = R 8 =R 12 =R 17 = R 18 = 500 Ом,R 13 = 300 Ом,R 14 = 50 Ом получим, чтоС 1 ==
= 240 мкФ,С 2 =С 3 ==
= 10 мкФ, С 4 =
=
= 40 мкФ,R 2 = =
= 380 Ом,R 4 =R 6 =R 9 =R 10 =R 11 =R 16 = 500 Ом,R 7 = 110 Ом,R 15 =
= =
= 310 Ом.

2.3AmLahx- программа построения асимптотических лачх и синтеза регуляторов методом желаемых лачх

2.3.1 Общие сведения о программе

Программа AmLAHXпредназначена для выполнения в средеMatLab6.0 или выше и предоставляет пользователю следующие возможности:

имеет GUI-интерфейс;

строит асимптотические ЛАЧХ динамических объектов, заданных в виде передаточных функций;

строит в диалоговом режиме желаемую ЛАЧХ разомкнутой системы по задаваемым критериям качества, в том числе, программа позволяет выбирать пользователю сопрягающие участки (их наклоны) в зависимости от вида ЛАЧХ объекта управления;

обеспечивает автоматическое вычитание из ЛАЧХ разомкнутой системы ЛАЧХ объекта управления и построение таким образом ЛАЧХ регулятора, возвращает сопрягающие частоты и наклоны асимптот, что позволяет достаточно легко по ЛАЧХ регулятора записать его передаточную функцию (в последующих версиях программа будет делать это автоматически);

все ЛАЧХ строятся с указанием наклонов асимптот, пользователь может сам определять цвета каждой ЛАЧХ в отдельности, а также формат надписей на графиках (толщина, высота).

2.3.2 Командная строка программы

Полная командная строка для запуска программы имеет вид

yy = amlahx(num ,den,flag,param ),

где num иden - соответственно числитель и знаменатель ПФ объекта управления,num иden должны быть векторами, записанными в форматеMatLab(смотрите пример ниже);

flag - режим работы (1 (по умолчанию) или 2);

param - вектор из 6 элементов (чисел), 1, 2 и 3 элементы соответственно толщина ЛАЧХ ОУ, РС и УУ, 4, 5 и 6 - цвета этих ЛАЧХ (по умолчанию толщина всех ЛАЧХ равна 1, цвета соответственно красный, голубой и зеленый).

AmLAHX без параметров работает вdemo-режиме, в этом случае

num = ,den = ,flag = 2.