Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
министерство сельского хозяйства российской федерации
департамент кадровой политики и образования
федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
ЧЕЛЯБИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АГРОИНЖЕНЕРНАЯ
АКАДЕМИЯ
Кафедра автоматизации
сельскохозяйственного производства
Утверждаю.
Проректор по УР
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторным работам по дисциплине
«ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА»
«ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ»
ЧАСТЬ IV
АНАЛОГОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА
ИМПУЛЬСНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
Для студентов направления 660300 – агроинженерия
Челябинск
2011
Настоящие методические указания составлены в соответствии с Государственным общеобразовательным стандартом высшего профессионального образования, направления подготовки дипломированных специалистов 660300 – агроинженерия, утвержденным Минобразования РФ 05.04.2000г.
Составитель
Полевик Н. Д. – канд. техн. наук, доцент (ЧГАА)
Рецензенты
Ответственный за выпуск
Попов В. М. зав. кафедрой автоматизации с.-х. производства.
Рекомендовано к печати методической комиссией факультета ЭАСХП
(протокол № 0т 2011)
Челябинская государственная агроинженерная академия, 2011.
ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ
ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Лабораторные работы выполняются фронтальным методом параллельно с лекционным курсом. На занятиях студенты должны изучать основные схемы включения исследуемых полупроводниковых приборов, а также освоить методику снятия их основных характеристик. При самостоятельной подготовке к лабораторной работе следует изучить соответствующий теоретический материал, усвоить цели и задачи работы.
Все лабораторные работы выполняются на унифицированных стендах, которые содержат необходимые электроизмерительные приборы: осциллограф С1-72, цифровой вольтметр В7 – 22А, многопредельный стрелочный вольтамперметр Ц43101 и выполненный в виде моноблочного устройства стенд …… ? .
В состав стенда …. входят:
1) Два регулируемых источника постоянного тока с напряжением 0…30В, выходное напряжение которых контролируется с помощью встроенных вольтметров. Кроме того в стенде имеются источники постоянного нерегулируемого напряжения 12В и + 5В. Все источники снабжены электронной системой защиты от перегрузок при срабатывании которой загорается красная сигнальная лампочка?. Для восстановления напряжения, необходимо выключить источник питания, устранить ошибку в исследуемой схеме, а затем вновь включить источник питания. Перед началом работы регуляторы напряжения должны быть установлены в крайнее положение соответствующее минимальному напряжению источника (поворот ручки против часовой стрелки до упора).
2) Не регулируемые источники однофазного и трехфазного синусоидального напряжения 30В.
3) Функциональный генератор состоящий из регулируемых по частоте генераторов прямоугольных двухполярных импульсов и генератора синусоидальных колебаний звуковой частоты с регулируемой амплитудой.
4) Наборное поле представляющее собой диэлектрическую пластину, на которой изображены электронные схемы исследуемых приборов и устройств и
смонтированы штекерные гнезда соединенные с выводами электронных элементов и контрольными точками схем. Сборка электронных схем производится с использованием соединительных проводников снабженных штекерами.
При подключении в схему электроизмерительных приборов следуйте рекомендациям конкретной лабораторной работы, соблюдая некоторые общие правила:
все приборы снабженные клеммами заземления должны быть заземлены;
пределы измерений выбирайте с запасом, ориентируясь по справочным данным исследуемых полупроводниковых приборов при их отсутствии переключите шкалу прибора на измерение максимального значения;
соблюдайте полярность подключения электроизмерительных приборов учитывая то, что «минусовой» вывод на панелях приборов обозначен *.
При подготовке к лабораторной работе необходимо ознакомиться с её содержанием, изучить теоретические положения и продумать методику проведения исследований.
При сборке схемы необходимо свести к минимуму длину и количество соединительных проводов. Каждая вновь собранная схема должна быть проверена преподавателем или лаборантом, и только после разрешения проверяющего может быть включено напряжение питания.
По окончании каждого исследования необходимо, не разбирая схему, показать преподавателю результаты измерений.
В конце работы студенты обязаны:
выключить все источники питания;
отключить питание стенда;
разобрать схему;
отключить питание всех измерительных приборов;
привести все кнопочные переключатели измерительных приборов в отжатое состояние;
сдать лаборанту соединительные проводники.
Отчет о выполненной работе представляется каждым студентом на текущем занятии или в начале следующего занятия. Содержание отчета должно соответствовать требованиям, изложенным в её описании.
Условные обозначения основных элементов электрических цепей приведены в табл.1. В табл. 2 представлены базовые электрические величины и их единицы измерения.
Таблица1
|
Наименование элемента |
Условное обозначение |
Наименование элемента |
Условное обозначение |
|
Источники электрической энергии: источник напряжения (ЭДС) постоянного тока (идеальный) источник постоянного тока (идеальный) гальванический элемент или аккумулятор источник напряжения (ЭДС) синусоидального тока |
Проводники электрической цепи: одиночный пересекающиеся, несоединенные пересекающиеся, соединенные |
||
|
Резисторы: Постоянный линейный Переменный линейный Нелинейный |
Выключатели: однополюсные двухполюсные |
||
|
Индуктивности: Линейная С разомкнутым магнитопроводом С магнитопроводом |
Конденсаторы Общее обозначение Полярный (электролитический) Нелинейный |
||
|
Трансформатор |
Диоды и тиристоры: Выпрямительный диод Стабилитрон Диодный тиристор Триодный тиристор |
||
|
Транзисторы: Биполярный Униполярный (полевой) |
|||
|
Лампы накаливания: осветительная сигнальная |
Измерительные приборы: амперметр вольтметр ваттметр |
Таблица 2
|
Величина |
Обозначение |
Единица измерения |
Другие используемые величины |
|
Заряд |
Q |
1 К = 1 Кулон |
мК |
|
Ток |
I |
1 А = 1 Ампер |
мА, мкА |
|
Напряжение/ЭДС |
U/E |
1 В = 1 Вольт |
мВ, кВ |
|
Сопротивление |
R |
1 Ом |
кОм, МОм |
|
Проводимость |
G |
1 См = 1 Сименс |
|
|
Индуктивность |
L |
1 Гн = 1 Генри |
мГн, мкГн |
|
Ёмкость |
С |
1 Ф = 1 Фарада |
мкФ, нФ, пФ |
ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
В современной информационной электронике импульсный принцип построения систем занимает доминирующее положение по сравнению с аналоговым. На базе импульсной техники выполняются системы управления и регулирования, устройства измерения, отображения и передачи информации. На ней основана цифровая вычислительная техника.
В отличие от аналоговых систем, в которых сигналы изменяются непрерывно во времени (например напряжение изменяется пропорционально регулируемой температуре), в импульсных системах используются сигналы (напряжение, ток) импульсной формы.
Необходимость разработки импульсных устройств была обусловлена целым рядом объективных причин: периодичностью характера многих производственных процессов; необходимостью разделения технологических процессов на отдельные такты (операции); необходимостью передачи различной информации по одному каналу связи; необходимостью создания большого числа устройств, использующих импульсный принцип действия, для цифровой вычислительной техники и т. д.
Однако помимо производственных причин развитию импульсной техники способствовали их преимущества перед аналоговыми системами:
- при относительно малой средней мощности достижима весьма большая мощность сигнала в импульсе, что наряду с возможностью кодирования информации, позволяет принципиально повысить помехозащищённость канала передачи информации;
- малое значение средней мощности (за период повторения импульсов) устройства, обусловленное его высоким к. п. д. (за счёт ключевого режима работы управляемых элементов и, как следствие, практически полного отсутствия потребления энергии в промежутке между импульсами) позволяет значительно снизить габариты и массу электронной аппаратуры;
- ослабляет влияние температуры и разброса параметров полупроводниковых приборов на работу устройств, что объясняется ключевым режимом их работы, предполагающем два крайних состояния «Включено» - «Выключено» и обеспечивающим уменьшение энергии, выделяемой в элементах импульсного устройства;
- позволяет значительно повысить пропускную способность и помехоустойчивость электронной аппаратуры (пропускная способность – наибольшая возможная скорость передачи информации, а помехоустойчивость – способность аппаратуры различать сигналы с заданной достоверностью) (Сигналы импульсных устройств дискретны и представляют комбинацию стандартных импульсов, поэтому скорость передачи таких сигналов выше чем непрерывных сигналов. Выше и помехоустойчивость, так как искажение параметров импульсов, например амплитуды, помехами не искажает информацию, заключённую в определённом сочетании импульсов);
- для реализации импульсных устройств, даже сложных, требуется, как правило, ограниченный набор однотипных элементов, легко выполняемых методами интегральной технологии, что позволяет повысить надёжность, уменьшить габариты и массу электронной аппаратуры.
В импульсной технике применяются импульсы различной формы. Распространены импульсы, близкие по форме к прямоугольной, пилообразной и экспоненциальной кривым (рис.1а…в), а также импульсы положительной, отрицательной и чередующейся полярности (рис.1г). Импульсный сигнал характеризуется рядом параметров. Рассмотрим их на примере реального импульса напряжения с формой кривой, близкой к прямоугольной (рис. 2).
Такой сигнал вначале быстро нарастает до максимального значения. Затем напряжение может сравнительно медленно изменяться в течении некоторого промежутка времени, после чего происходит быстрое спадание импульса. Характерными участками импульса являются фронт (передний фронт), вершина(плоская часть) и срез(задний фронт).
Рис. 1. Импульсные сигналы прямоугольной (а), пилообразной (б), экспоненциальной (в), прямоугольной с чередующейся полярностью (г) форм.
Рис. 2. Реальный импульс напряжения прямоугольной формы.
Параметрами импульса являются: амплитуда, длительность, длительность фронта, длительность среза и спад вершины.
Амплитуда импульса Um определяет наибольшее значение напряжения импульсного сигнала.
Длительность импульса характеризует продолжительность импульса во времени. Её часто измеряют на уровне, соответствующем половине амплитуды (активная длительность импульса).
Длительность фронта и длительность среза импульса характеризуют соответственно времена нарастания и спада импульса. Наиболее часто пользуются понятиями активных длительностей фронта и среза, представляющими указанные времена изменения напряжения относительно уровней 0,1Um и 0,9Um (рис.2).
Спад вершины импульсаи его относительная величина отражают уменьшение напряжения на плоской части импульса.
Параметрами последовательности импульсов (см. рис. 1а) является период повторения (следования), частота повторения, пауза, коэффициент заполнения и скважность.
Периодом повторения импульсов называется интервал времени между соответствующими точками (например, между началами) двух соседних импульсов.
Величину обратную периоду повторения, называют частотой повторения импульсов: f = 1/Т.
Паузой называют интервал времени между окончанием одного и началом следующего импульсов: .
Коэффициент заполнения характеризуется отношением длительности импульсов к периоду их следования:
Величину обратную коэффициенту заполнения, называют скважностью импульсов: .
Импульсный сигнал (последовательность импульсов) обладает большими информационными возможностями. Для преобразования электрического или неэлектрического параметра в сигнал импульсной формы наибольшее применение получили время – импульсный и число-импульсный методы. Носителем информации в первом случае является длительность импульсов, во втором число импульсов в фиксированном интервале времени.
Для передачи информации о непрерывном сигнале в виде прямоугольных импульсов изменяется один или несколько параметров последовательности импульсов (т. е. осуществляется модуляция сигнала). Так как периодическая последовательность идеальных прямоугольных импульсов характеризуется четырьмя параметрами: амплитудой, длительностью импульса, частотой повторения импульсов и фазой (временное расположение импульса относительно тактовых импульсов), то выделяют четыре вида импульсной модуляции: АИМ (амплитудно-импульсная); ШИМ (широтно-импульсная); ЧИМ (частотно-импульсная); ФИМ (фазо-импульсная). Для увеличения точности и помехозащищённости применяют кодово-импульсную модуляцию, при которой информация представляется в виде числа, которому соответствует определённый набор импульсов (код). В последнем случае параметры импульсов могут не меняться, а существенно наличие либо отсутствие импульса в заданные моменты времени.
Импульсные устройства широко применяются в вычислительной технике, автоматике, преобразовательной технике, информационно-измерительной технике, системах связи и радиолокации, радиоастрономии и радионавигации и т. д. и т. п.
Лабораторная работа №1
ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПАРАТОРОВ
Цель работы – изучить принцип работы, схемотехнику и основные характеристики аналоговых компараторов на операционных усилителях.
1.1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Аналоговый компаратор (компаратор) – это устройство осуществляющее сравнение измеряемого входного напряжения (uвх) с опорным напряжением (UОП), подаваемых одновременно на его входы. Опорное напряжение представляет собой неизменное по величине напряжение положительной или отрицательной полярности, входное напряжение изменяется во времени. При достижении входным напряжением уровня опорного напряжения происходит переключение выходного напряжения компаратора с одного уровня на другой. Компаратор часто называют нуль – органом, поскольку его переключение происходит при
Компараторы нашли применение в системах автоматического управления, в измерительной технике, а также для построения различных устройств импульсного и цифрового действия (в частности, аналогово-цифровых (АЦП) и цифро-аналоговых (ЦАП) преобразователей)
Простейшая схема компаратора может быть построена на ОУ (рис. 1.1а).
Импульсный режим работы операционного усилителя.
Интегральные операционные усилители (ОУ) находят широкое применение в импульсной технике. Уровни входного сигнала ОУ в импульсном режиме работы превышают значения, соответствующие линейной области А0В амплитудной характеристики (см. рис. 1.1б). В связи с этим выходное напряжение ОУ в процессе работы определяется либо напряжением U+вых max, либо U-вых max.
Рис. 1.1. Схематическое изображение операционного усилителя (а) и его передаточная характеристика (б).
При рассмотрении линейных устройств на ОУ мы ранее ограничивались рассмотрением линейного участка передаточной характеристики при ( - входное напряжение, при котором UВЫХ достигает максимального значения). При выходное напряжение ОУ ограничено значениями U+вых max, либо U-вых max так как транзисторы выходных каскадов при больших сигналах работают в ключевом режиме (Uвых max несколько меньше UП).
Таким образом, получаем, что при UВХ2 – UВХ1 > 0 (т. е. UВХ2 > UВХ1) Uвых = U+вых max, а при UВХ2 – UВХ1 < 0 Uвых = U- вых max. Полярность выходного напряжения ОУ при зависит от того какое из двух входных напряжений больше. Или, иными словами, ОУ является в этом случае схемой сравнения (компаратором). Если положить, что UВХ2 = const, то при достижении напряжением UВХ1 уровня напряжения UВХ2 происходит изменение полярности напряжения на выходе ОУ, например с U+вых max на
U- вых max. При UВХ2 = 0 схема осуществляет фиксацию момента перехода напряжения UВХ1 через ноль.
Так как коэффициент усиления по напряжению ОУ КU весьма велик, то
весьма мало. Реально у операционных усилителей UВХН не превышает нескольких милливольт, поэтому ОУ можно применять для сравнения двух напряжений с высокой точностью.
Простейшая схема компаратора на ОУ приведена на рис. 1.2 а. Её характеризует симметричное подключение измеряемого и опорного напряжений ко входам ОУ. Разность напряжений uВХ – UОП является входным напряжением u0 ОУ, что и определяет передаточную характеристику компаратора (рис. 1.2 б). При uВХ < UОП напряжение u0 < 0, в связи с чем uвых = U+вых max. При uВХ > UОП напряжение u0 > 0 и uвых = Uвых max.
Изменение полярности выходного напряжения происходит при переходе входного измеряемого напряжения через значение UОП. Ввиду большого значения коэффициента усиления ОУ это изменение носит ступенчатый характер при u0 = uВХ – UОП 0. Если источники входного и опорного напряжений в схеме рис. 1.2 а поменять местами или изменить полярность их подключения, то произойдёт инверсия передаточной характеристики компаратора. Условию uВХ < UОП будет отвечать равенство uвых = U-вых max, а условию uВХ > UОП - uвых = U+вых max.
Схема рис. 1.2 а применима тогда, когда измеряемое и опорное напряжения не превышают допустимых паспортных значений входных напряжений ОУ. В противном случае они подключаются к ОУ с помощью делителей напряжения (рис.1.2 в).
Операционный усилитель не может мгновенно перейти от одного уровня насыщения выходного каскада к другому, поэтому переключение с уровня напряжения U+вых max на уровень U-вых max происходит с некоторой задержкой зад (рис. 1.3).
Рис. 1.2. Схема компаратора на операционном усилителе (а), его передаточная характеристика (б), схема компаратора с входными делителями напряжения (в).
Важнейшим показателем ОУ, работающих в импульсном режиме, является их быстродействие , которое оценивается задержкой срабатывания и временем нарастания выходного напряжения. Задержка срабатывания (время задержки выходного импульса) ОУ общего применения составляет единицы микросекунд, а время нарастания выходного напряжения - доли микросекунды.
Лучшим быстродействием обладают специализированные ОУ, предназначенные для импульсного режима работы и получившие общее название «компараторы».
Рис. 1.3. Временная зависимость напряжения на выходе компаратора при линейно нарастающем входном сигнале.
Регенеративный компаратор (триггер Шмитта).
Ввиду большого значения коэффициента усиления ОУ и, как следствие, малой величины , при наличии зашумленности (флюктуации уровня сигнала) сигналов, подаваемых на входы компаратора, в момент равенства входного и опорного сигналов компаратор может многократно изменять своё состояние (переключаться). Это явление называют «дребезгом» компаратора. Для исключения этого явления ОУ компаратора охватывают положительной обратной связью, осуществляемой по неинвертирующему входу с помощью резисторов R1 и R2 (рис. 1.4 а).
Рис. 1.4. Схема компаратора с положительной обратной связью (а) и его идеализированная передаточная характеристика. (б).
Такой компаратор обладает передаточной характеристикой с гистерезисом (рис. 1.4 б). Переключение схемы в состояние U-вых max происходит при достижении uвх напряжения (порога) срабатывания UСР, а возвращение в исходное состояние uвых = U+выхmax – при снижении uвх до напряжения (порога) отпускания UОТП. Значения пороговых напряжений находят положив u0 = 0; схема, очевидно, обладает передаточной характеристикой с гистерезисом. Переход из одного состояния в другое происходит скачкообразно под действием положительной обратной связи (ПОС). Действительно при превышении напряжением uвх напряжения срабатывания Uср выходное напряжение начнёт уменьшаться, так как uвх подается по инверсному входу ОУ. Отрицательное приращение uвых по цепи ПОС R2, R1 поступит на неинвертирующий вход ОУ, который его усилит, что приведёт к дополнительному уменьшению uвых, т. е. появиться дополнительное отрицательное приращение uвых, которое вновь уменьшит напряжение на неинвертирующем входе ОУ. Процесс идёт лавинообразно. Значения пороговых напряжений Uср и Uотп находят по схеме, положив u0 = 0:
(1.1)
, (1.2)
Откуда ширина зоны гистерезиса
. (1.3)
Таким образом, Uср и Uотп различны. Ширина гистерезиса UГ растет с ростом отношения R1/R2. ПОС, как было показано, приводит к регенеративным процессам, тем самым ускоряет процессы переключения.
Возможна работа компаратора с ПОС при UОП = 0 (рис. 1.5 а). Данная схема является частным случаем предыдущей схемы (рис. 1.4 а). Передаточная характеристика такого компаратора становиться симметричной относительно оси ординат, т. е. смещается влево так, что
UОП = 0 (рис. 1.5 б).
Рис. 1.5. Схема компаратора с положительной обратной связью и нулевым опорным напряжением (а), его передаточная характеристика (б).
Её пороговые напряжения и зона гистерезиса (рис. 1.5 б) составляют:
UСР = , и , где .
Схема рис. 1.5 а служит основой при построении генератора импульсов на ОУ.
1.2. СОДЕРЖАНИЕ И МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1.2.1. Собрать схему исследований компаратора на ОУ установкой необходимых перемычек на испытательной панели лабораторного стенда и подключением измерительных приборов (рис. 1.6) и показать её преподавателю.
Указания
В качестве источников входного и опорного напряжений использовать регулируемые источники стабилизированного напряжения «0…30 В» входящие в состав лабораторного стенда и расположенные в узле питания стенда.
Для измерения входных напряжений компаратора следует использовать аналоговый вольтметр а выходного , цифровой вольтметр В7 – 22А так как, в процессе снятия передаточной характеристики компаратора выходное напряжение изменяет свою полярность скачком.
Рис. 1.6. Схема исследований компаратора.
1.2.2. Снять передаточную характеристику компаратора.
Указания
Ручкой регулировки напряжения источника «0…30 В», подключённого к неинвертирующему входу ОУ, установить величину опорного напряжения UОП = 5 В.
Плавно вращая ручку регулировки напряжения второго источника «0…30 В» зафиксировать величину входного напряжения uвх при котором происходит смена полярности выходного напряжения компаратора.
Измерить выходные напряжения компаратора U+вых max, U-вых max в установившемся режиме (до переключения и после переключения).
По результатам измерений построить на графике рис.1.7. передаточную характеристику компаратора.
|
uвых |
(В) |
|||||||||
|
12 |
||||||||||
|
10 |
||||||||||
|
8 |
||||||||||
|
6 |
||||||||||
|
4 |
||||||||||
|
2 |
||||||||||
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
uвх(В) |
|
-2 |
||||||||||
|
-4 |
||||||||||
|
-6 |
||||||||||
|
-8 |
||||||||||
|
-10 |
||||||||||
|
-12 |
Рис. 1.7. Передаточная характеристика компаратора.
1.2.3. Собрать схему для исследований динамических характеристик компаратора (рис. 1.8) и показать её преподавателю.
1.2.4. Измерить время перехода выходного напряжения компаратора из состояния U+вых max в состояние U-вых max и из состояния U-вых max в состояние U+вых max.
Указания
Установить на выходе функционального генератора стенда частоту следования прямоугольных импульсов равную 1 кГц. Установку частоты следования импульсов произвести с помощью осциллографа установив период следования импульсов 1 мс.
Нажатием клавиши расположенной на передней панели осциллографа и подключением к гнезду внешней синхронизации выходного импульсного сигнала с функционального генератора стенда перевести осциллограф в режим внешней синхронизации.
Подключить вход осциллографа к выходу компаратора и произвести следующие настройки: нажатием клавиши перевести осциллограф в режим открытого входа; установить масштаб по оси У осциллографа - 5В/дел, а масштаб временной развертки (скорость перемещения луча в горизонтальной плоскости) 5 мкс/дел.
Измерение времени (переключения ) нарастания и спада выходного напряжения компаратора производиться поочерёдно. Для наблюдения переднего и заднего фронтов выходных импульсов, при большой скорости развёртки осциллографа, необходимо воспользоваться клавишей, расположенной на его передней панели, позволяющей синхронизировать начало развёртки с положительным либо отрицательным фронтами синхронизирующего импульса, что позволяет наблюдать либо передний либо задний фронты.
1.2.5. Соблюдая временную синхронизацию зарисовать на графике рис. 1.9. осциллограммы входного и выходного напряжений компаратора для наглядности растянув масштаб развертки переднего и заднего фронтов импульсов.
Рис. 1.8. Схема исследований динамических характеристик компаратора.
Рис.1.9. Осциллограммы напряжений на входе и выходе компаратора.
1.2.6. Установкой необходимых перемычек на испытательной панели лабораторного стенда и подключением измерительных приборов собрать схему исследований регенеративного компаратора (триггера Шмита) на ОУ (рис. 1.10) и показать её преподавателю.
Указания
В качестве источников входного и опорного напряжений использовать регулируемые источники стабилизированного напряжения «0…30 В» входящие в состав лабораторного стенда и расположенные в узле питания стенда.
Для измерения входных напряжений компаратора следует использовать аналоговый вольтметр а выходного , цифровой вольтметр В7 – 22 так как, в процессе снятия передаточной характеристики компаратора выходное напряжение изменяет свою полярность скачком.
Рис. 1.10. Схема исследований триггера Шмита.
1.2.7. Снять передаточные характеристики триггера Шмита с различными цепями положительной обратной связи.
Указания
Установкой перемычки между гнёздами №№ 4 и 7 на панели стенда подключить в цепь положительной обратной связи резистор RОС1 (рис. 1.10).
Ручкой регулировки напряжения источника «0…30 В», подключённого к не инвертирующему входу ОУ, установить величину опорного напряжения UОП = 5 В.
Плавно вращая ручку регулировки напряжения второго источника «0…30 В» (увеличивая его напряжения) зафиксировать величину входного напряжения uвх = UСР при котором происходит прямое переключение (смена полярности выходного напряжения) компаратора.
Плавно вращая ручку регулировки напряжения источника входного сигнала «0…30 В» в сторону его уменьшения зафиксировать величину входного напряжения uвх = UОТП при котором происходит обратное переключение компаратора в исходное состояние.
Измерить выходные напряжения компаратора U+вых max, U-вых max в установившемся режиме (до переключения и после переключения).
По результатам измерений построить на графике рис.1.11. передаточную характеристику компаратора.
Отключить резистор RОС1 (убрав перемычку между гнёздами №№ 4 и 7 стенда) и подключить в цепь ПОС резистор RОС2 (установив перемычку между гнёздами №№ 5 и7). Снять передаточную характеристику триггера Шмита и построить её на графике рис. 1.11.
Отключить резистор RОС2 (убрав перемычку между гнёздами №№ 5 и 7 стенда) и подключить в цепь ПОС резистор R3 (установив перемычку между гнёздами №№ 8 и7). Снять передаточную характеристику триггера Шмита и построить её на графике рис. 1.11.
1.2.8. Установкой необходимых перемычек на испытательной панели лабораторного стенда собрать схему исследований триггера Шмита с нулевым опорным напряжением (рис. 1.12) и показать её преподавателю.
|
uвх |
(В) |
|||||||||
|
12 |
||||||||||
|
10 |
||||||||||
|
8 |
||||||||||
|
6 |
||||||||||
|
4 |
||||||||||
|
2 |
||||||||||
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
uвых(В) |
|
-2 |
||||||||||
|
-4 |
||||||||||
|
-6 |
||||||||||
|
-8 |
||||||||||
|
-10 |
||||||||||
|
-12 |
Рис. 1.11. Передаточная характеристика триггера Шмита с различными цепями ПОС при UОП = 5 В.
Рис.1.12. Схема исследований триггера Шмита с нулевым опорным напряжением.
1.2.9. Снять передаточные характеристики триггера Шмита при UОП = 0 и различными цепями ПОС (см. пункт 1.2.7) и построить их на графике рис. 1.13.
Указания
Смену полярности входного напряжения производить переключением штекеров соединительных проводов, подключённых к клеммам источника питания, с плюса на минус и наоборот. При переключении нельзя забывать о смене полярности измеряемого вольтметром напряжения и перед замерами менять местами штекеры проводов подходящих к вольтметру.
|
uвх |
(В) |
||||||||
|
12 |
|||||||||
|
10 |
|||||||||
|
8 |
|||||||||
|
6 |
|||||||||
|
4 |
|||||||||
|
2 |
(В) |
||||||||
|
-4 |
-3 |
-2 |
-1 |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
uвых 5 |
|
-2 |
|||||||||
|
-4 |
|||||||||
|
-6 |
|||||||||
|
-8 |
|||||||||
|
-10 |
|||||||||
|
-12 |
Рис. 1.13. Передаточная характеристика триггера Шмита с различными цепями ПОС при UОП = 0.
1.2.10. Результаты измерений, проведённых при выполнении пунктов 1.2.7 и 1.2.9 занести в таблицу 1.1.
Таблица 1.1.
|
Напряжение |
Компаратор UОП = 5 В |
Триггер Шмита UОП = 5 В |
Триггер Шмита UОП = 0 |
||||
|
Резистор в цепи ПОС |
Резистор в цепи ПОС |
Резистор в цепи ПОС |
|||||
|
отсутствует |
RОС1 |
RОС2 |
R3 |
RОС1 |
RОС2 |
R3 |
|
|
UСР |
|||||||
|
UОТП |
|||||||
|
UГ |
|||||||
|
UСРР |
|||||||
|
UОТПР |
|||||||
|
UГР |
1.2.11. Вычислить по формуле 1.3 значения коэффициента , полученные в результате эксперимента, для каждой величины резистора в цепи обратной связи триггера Шмита и занести их в таблицу 1.1.
1.2.12. Измерить с помощью омметра величины резисторов R2, RОС1, RОС2 и R3, установленных в стенде. Вычислить по формулам (1.1, 1.2 и 1.3) значения коэффициентов и напряжений UСРР, UОТПР и UГР и занести в таблицу 1.1. Сравнить значения полученные расчетным путём с экспериментальными данными.
Указания
При расчетах необходимо помнить, что резисторам R1 и R2 в расчетных формулах соответствуют резисторы лабораторного стенда R2 и резисторы, установленные в цепи ПОС, (RОС1, RОС2 и R3) соответственно.
1.3.1. Схема исследований и передаточная характеристика компаратора с указанием измеренных значений UСР, U+вых.max, U-вых.max.
1.3.2. Осциллограммы входного и выходного напряжений компаратора с указанием измеренного значения .
1.3.3. Схема исследований и передаточные характеристики триггеров Шмита с нулевым и заданным опорным напряжением с указанием измеренных значений UСР, UОТП, UГ, U+вых.max, U-вых.max для различных цепей ПОС.
1.3.4. Результаты измерений резисторов, установленных в цепи ПОС компаратора стенда и расчетов проведённых при выполнении п.п. 1.2.11 и 1.2.12 настоящей работы.
1.3.4. Таблица с результатами исследований (таблица 1.1).
1.4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.4.1. Какие устройства называются компараторами?
1.4.2. Для чего применяются компараторы?
1.4.3. При каких условиях ОУ будет работать в нелинейном режиме?
1.4.4. Что показывает передаточная характеристика компаратора?
1.4.5. Как задаётся пороговое напряжение компаратора на ОУ?
1.4.6. Чем определяется уровень выходного напряжения компаратора?
1.4.7. Что такое дребезг компаратора? Что необходимо сделать для его устранения?
1.4.8. В чём отличие компаратора от триггера Шмита ?
1.4.9. Что такое гистерезис передаточной характеристики компаратора и какими схемными решениями можно его получить?
1.4.10. Как определить характер обратной связи, применённой в триггере Шмита?
1.4.11. Как изменить ширину петли гистерезиса у триггера Шмита?
ЛИТЕРАТУРА. [1] – c. 114…118, [2] – c. 184…187, [4] – c. 77…83.
Лабораторная работа №2
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ
Цель работы – изучение схем, принципа работы и исследование характеристик релаксационных генераторов прямоугольных импульсов: мультивибраторов и одновибраторов.
2.1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Для получения прямоугольных импульсов широко используются устройства, называемые релаксационными генераторами (релаксаторами) Релаксаторы, как и триггеры, относятся к классу спусковых устройств и основаны на применении усилителей с положительной обратной связью или электронных приборов с отрицательным сопротивлением, например туннельных диодов или тиристоров.
В отличие от триггеров, обладающих двумя состояниями устойчивого равновесия, релаксаторы имеют не более одного состояния. Кроме того, они имеют состояния квазиравновесия, характеризуемые сравнительно медленными изменениями токов и напряжений, приводящими к некоторому критическому состоянию, при котором создаются условия для скачкообразного перехода релаксатора из одного состояния в другое.
Релаксаторы работают в одном из трёх режимов: 1) ждущем; 2) автоколебаний; 3) синхронизации.
В ждущем режиме релаксатор имеет состояние устойчивого равновесия и состояние квазиравновесия. Переход из первого состояния во второе происходит под воздействием внешнего запускающего импульса, а обратный переход – самопроизвольно по истечению некоторого времени, определяемого параметрами устройства. Таким образом, в ждущем режиме релаксатор генерирует один импульс с определёнными параметрами при воздействии запускающего импульса.
В режиме автоколебаний в релаксаторе нет состояния устойчивого равновесия, имеется только два состояния квазиравновесия. Релаксатор переходит из одного состояния квазиравновесия в другое без внешних воздействий, генерируя импульсы, параметры которых зависят от параметров релаксатора.
В режиме синхронизации частота повторения импульсов релаксатора определяется частотой внешнего синхронизирующего напряжения. Релаксатор имеет два чередующихся состояния квазиравновесия, а время пребывания в этих состояниях зависит не только от параметров релаксатора, но также от периода синхронизирующего напряжения. Если синхронизирующее напряжение снять, устанавливается режим автоколебаний.
Мультивибраторы – это релаксационные генераторы периодически повторяющихся импульсов формой близкой к прямоугольной с требуемыми параметрами (амплитудой, длительностью, частотой следования и др.). Название отражает тот факт, что такая форма импульсов при разложении в ряд Фурье представляется рядом, содержащим много высших гармоник (мульти – много). Мультивибратор, работающий в ждущем режиме, называют одновибратором.
Принцип работы релаксационных генераторов основан на использовании процессов заряда – разряда (релаксаций) конденсаторов RC- цепей. Процесс получения импульсного напряжения основывается на преобразовании энергии источника постоянного тока.
Мультивибратор в подавляющем большинстве случаев выполняет функцию задающего (ведущего) генератора, формирующего запускающие входные импульсы для последующих узлов и блоков в системе импульсного или цифрового действия.
Существует большое разнообразие средств и методов построения схем мультивибраторов. В настоящее время для построения мультивибраторов наибольшее распространение получили операционные усилители в интегральном исполнении.
Возможность создания мультивибратора на операционном усилителе основывается на использовании ОУ в качестве порогового узла (компаратора). Схема симметричного мультивибратора приведена на рис. 2.1а. Его основой служит компаратор с положительной обратной связью (см. рис. 1.5 а). Автоколебательный режим работы создаётся благодаря подключению к инвертирующему входу ОУ времязадающей цепи из конденсатора С и резистора R. Принцип действия иллюстрируют временные диаграммы, приведённые на рис. 2.1 б - г.
Рис.2.1. Схема симметричного мультивибратора на ОУ (а) и его временные диаграммы (б – г).
Предположим, что до момента времени t1 напряжение между входами ОУ u0 > 0. Это определяет напряжение на выходе ОУ uвых = U-вых. max. и на его неинвертирующем входе u(+) = - U-вых.max (рис. 2.1.б,в), где / - коэффициент передачи цепи положительной обратной связи. Наличие на выходе схемы напряжения – U-вых.max обуславливает процесс заряда конденсатора С через резистор R с полярностью указанной на рис 2.1 а без скобок. В момент времени t1 экспоненциально изменяющееся напряжение на инвертирующем входе ОУ (рис. 2.1г) достигает напряжение на неинвертирующем входе -. Напряжение u0 становится равным нулю, что вызывает изменение полярности напряжения на выходе ОУ:
uвых= U+вых. max (рис. 2.1 б) Напряжение u(+) изменяет знак и становится равным U+вых max (рис. 2.1 в), что соответствует u0 < 0 и uвых = U+вых max.
С момента времени t1 начинается перезаряд конденсатора от уровня напряжения -U-вых max. Конденсатор стремится перезарядиться в цепи с резистором R до уровня U+вых max c полярностью напряжения, указанной на рис. 2.1 а в скобках. В момент времени t2 напряжение на конденсаторе достигает значения U+вых max. Напряжение u0 становиться равным нулю, что вызывает переключение ОУ в противоположное состояние (рис. 2.1б – г). Далее процесс в схеме протекает аналогично. Частота следования импульсов симметричного мультивибратора
. (2.1)
Время можно определить по длительности интервала (рис. 2.1 б), характеризующего перезаряд конденсатора С в цепи с резистором R и напряжением U+вых max от -U-вых max до U+вых max (рис. 2.1 г). Процесс перезаряда описывается известным из ТОЭ уравнением
, (2.2)
где , ,
Отсюда
. (2.3)
Положив в выражении (2.3) находим:
(2.4)
и
. (2.5)
Если принять для ОУ то соотношения (2.4), (2.5) примут вид
(2.6)
. (2.7)
Скважность выходного импульсного напряжения
(2.8)
т. е. длительность положительного и отрицательного напряжений на выходе равны. Такой мультивибратор называют симметричным. Если же постоянные времени заряда и разряда конденсатора С не равны (), то и получается несимметричный мультивибратор, который можно реализовать по схеме на рис. 2.2 а где это достигается включением вместо резистора R двух параллельных ветвей, состоящих из резистора и диода. Диод VD1 открыт при положительной полярности выходного напряжения, а диод VD2 – при отрицательной. В первом случае во втором - .
Вид кривой выходного напряжения при показан на рис. 2.2 б. Длительности импульсов несимметричного мультивибратора рассчитывают по формуле (2.6) с подстановкой соответствующего значения а его частоту – по формуле
. (2.9)
Рис. 2.2. Схема несимметричного мультивибратора на ОУ (а), кривая его выходного напряжения (б).
На выбор коэффициента передачи и значений сопротивлений резисторов в обеих схемах накладываются условия ограничения по предельно допустимым режимам работы операционного усилителя.
Одновибраторы предназначены для формирования прямоугольного импульса напряжения требуемой длительности при воздействии на входе короткого запускающего импульса.
Одновибраторы, также как мультивибраторы и триггеры, относятся к классу схем, обладающих двумя состояниями. Однако в отличие от мультивибраторов, в которых оба состояния являются неустойчивыми, в одновибраторах (часто называемых также ждущими мультивибраторами) одно состояние устойчивое, а другое - неустойчивое. Устойчивое состояние характеризует исходный режим работы (режим ожидания) одновибратора. Неустойчивое состояние наступает с приходом входного запускающего импульса. Оно продолжается некоторое время, определяемое времязадающей цепью схемы, после чего одновибратор возвращается в исходное устойчивое состояние.
Выходной импульс формируется в результате следования одного за другим двух тактов переключения схемы.
В настоящее время для построения одновибраторов используют преимущественно интегральные операционные усилители. Наибольшее распространение получила схема одновибратора, приведённая на рис. 2.3 а.
Её основой служит схема мультивибратора рис. 2.1 а, в которой для создания ждущего режима работы параллельно конденсатору С включён диод VD1.
Рис. 2.3. Схема одновибратора (а) и его временные диаграммы (б – д).
При показанном на рис. 2.3 а направлении включения диода VD1 cхема запускается входным импульсом напряжения положительной полярности. При обратном включении диода VD1 (а также VD2) требуется запускающий импульс отрицательной полярности, чему соответствует также изменение полярности выходного импульса.
В исходном состоянии напряжение на выходе одновибратора равно
U-вых max, что определяет напряжение на неинвертирующем входе ОУ (рис. 2.3 б - г). Напряжение на инвертирующем входе ОУ u(-), равное падению напряжения на диоде VD1 от протекания тока по цепи с резистором R, близко к нулю (рис. 2.3 д).
Поступающий входной импульс в момент времени t1 переводит ОУ в состояние U+вых max. На неинвертирующий вход ОУ передаётся напряжение U+вых max (рис. 2.3. г), поддерживающее его изменившееся состояние. Воздействие напряжения положительной полярности на выходе ОУ вызывает процесс заряда конденсатора С в цепи с резистором R, в которой конденсатор стремиться зарядиться до напряжения U+вых max (рис. 2.3 д). Характер процесса заряда находят из уравнения (2.2), где :
. (2.10)
Однако в процессе заряда напряжение на конденсаторе не достигает значения U+вых max, так как в момент времени t2 при u(-) = uC = U+вых max происходит возвращение ОУ в исходное состояние (рис. 2.3 в,г). Положив в (2.10) uС (tИ) = U+вых max, находим длительность импульса, формируемого одновибратором:
(2.11)
После момента времени t2 в схеме наступает процесс восстановления исходного напряжения на конденсаторе uС = 0 (рис. 2.3 д), который обусловливается изменившейся полярностью напряжения на выходе ОУ. Процесс перезаряда конденсатора в цепи с резистором R определяется зависимостью (2.2), где uС = - U-вых max, uС(0) = U+вых max. Отсюда
(2.12)
Режим восстановления заканчивается тем, что напряжение на конденсаторе достигает напряжения отпирания диода VD1, которое можно принять равным нулю. Положив в формуле (2.12) uC = 0 при t = tвост, находим время восстановления:
. (2.13)
При U+вых max = U-вых max имеем
. (2.14)
Поскольку коэффициент передачи и 1/(1-) > 1 +, длительность импульса tИ > tвост.
Процесс восстановления исходного состояния схемы должен быть завершен к приходу очередного запускающего импульса. В тех случаях, когда длительность tИ соизмерима с периодом следования запускающих импульсов, возникает задача сокращения времени tвост. С этой целью параллельно резистору R включают ветвь из диода VD2 и резистора , уменьшающую постоянную времени этапа восстановления. При этом постоянная в выражении (2.14) составит С(R || ), а для tИ она останется без изменений. На выбор и сопротивлений резисторов накладываются те же ограничения, что и для схемы мультивибратора (см. рис. 2.2 а).
2.2. СОДЕРЖАНИЕ И МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
2.2.1. Исследовать симметричный автоколебательный мультивибратор.
2.2.1.1. Установкой необходимых перемычек на испытательной панели лабораторного стенда собрать схему исследований мультивибратора на ОУ (рис. 2.4) и показать её преподавателю.
Рис. 2.4. Схема исследований симметричного автоколебательного мультивибратора.
2.2.1.2. Исследовать с помощью осциллографа импульсные напряжения uвых(t), uc(t) и uпос(t) (u(+)) : измерить амплитуды импульсов и длительности импульса и паузы (см. рис. 2.1 б). Зарисовать полученные осциллограммы на графиках рис. 2.5. и 2.6.
Указания
Подключить вход Y осциллографа к выходу мультивибратора и произвести следующие настройки: нажатием клавиши перевести осциллограф в режим открытого входа; установить масштаб по оси Y осциллографа - 5В/дел, а масштаб временной развертки (скорость перемещения луча в горизонтальной плоскости) 1 мс/дел.
Включить источники питания стенда .
Рис.2.5. Осциллограмма напряжения на выходе мультивибратора.
Рис. 2.6. Осциллограмма напряжения на конденсаторе С uc(t) и на неинвертирующем входе ОУ (напряжение в цепи положительной обратной связи) uпос(t).
Измерение uвых(t), uc(t) и uпос(t) (u(+)) производить подключая вход Y осциллографа к гнёздам №№ 14, 10 и 13 соответственно.
Наблюдаемые осциллограммы напряжений переносить на графики рис. 2.5 и 2.6 с соблюдением масштаба, располагая кривые вертикально одну под другой с соблюдением временной синхронизации. Напряжения uC(t) и uпос(t) изображать на одном графике.
2.2.1.3. Измерить с помощью измерителя сопротивлений величины резисторов R4, R5 и R6 и вычислить по выражению (2.6) длительность импульса . В расчетах берётся величина конденсатора С1 из электрической схемы стенда или заданная преподавателем. Сравнить рассчитанную величину с измеренной и оценить погрешность.
Указания
Необходимо учитывать, что измерение сопротивления резистора R4 возможно только с последовательно соединённым с ним диодом, поэтому при измерении необходимо изменять полярность подключения прибора, а за величину резистора брать наименьшее из измеренных значений.
Величины резисторов R4, R5, R6 и конденсатора С1 можно узнать у преподавателя или взять из электрической схемы стенда.
2.2.1.4. Исследовать влияние глубины положительной обратной связи (ПОС) на работу мультивибратора.
Указания
Для изменения глубины ПОС параллельно резистору R5 с помощью перемычек подключить резистор R10 из функционального узла стенда, предназначенного для исследования мостовых выпрямителей.
Снять осциллограмму напряжения на выходе мультивибратора uвых(t) и перенести её на график (рис. 2.5).
Сделать выводы о влиянии глубины ПОС на работу мультивибратора.
2.2.2. Исследовать несимметричный автоколебательный мультивибратор.
2.2.2.1. Собрать схему несимметричного мультивибратора добавив в схему симметричного мультивибратора (рис. 2.4.) цепь состоящую из диода и резистора R8…R10 (показана на рисунке 2.4 штрихами).
2.2.2.2. Исследовать с помощью осциллографа импульсное выходное напряжения uвых(t). Измерить амплитуды импульсов и длительности импульса и паузы (см. рис. 2.1 б) при различных резисторах (R8…R10). Зарисовать полученные осциллограммы на графике рис. 2.7.
Указания
Для исследований влияния величины резистора в цепи с последовательно соединённым диодом на работу схемы симметричного мультивибратора с помощью перемычек поочерёдно подключать резисторы R8, R9 и R10 из функционального узла стенда, предназначенного для исследования мостовых выпрямителей.
Рис.2.7. . Осциллограмма напряжения на выходе мультивибратора при различных значениях величины резисторов R8, R9 и R10.
Объяснить полученные результаты.
2.2.3. Исследовать ждущий мультивибратор (одновибратор).
2.2.3.1. Собрать схему исследований ждущего мультивибратора рис. 2.8.
Рис. 2.8. Схема исследований ждущего мультивибратора.
Указания
Функциональный генератор и дифференцирующее звено входят в состав стенда.
2.2.3.2. Исследовать с помощью осциллографа импульсные напряжения: на выходе функционального генератора uвыхфг(t) (гнездо № 11 дифференцирующего звена) , входное напряжение мультивибратора uвх(t) (гнездо № 12), напряжение ПОС uпос(t) (гнездо №13), выходное напряжение мультивибратора uвых(t) (гнездо №14). Измерить амплитуды импульсов и длительности импульса и паузы (см. рис. 2.1 б). Зарисовать полученные осциллограммы на графиках рис. 2.9 и 2.10.
Рис.2.9. Осциллограммы напряжений на выходе функционального генератора uвых фг и запускающих импульсов на входе мультивибратора uвх.
Рис. 2.10. Осциллограмма напряжения на выходе мультивибратора uвых(t) и на неинвертирующем входе ОУ (напряжение в цепи положительной обратной связи) uпос(t).
Указания
Подключить вход Y осциллографа к выходу мультивибратора и произвести следующие настройки: нажатием клавиши перевести осциллограф в режим открытого входа; установить масштаб по оси Y осциллографа - 5В/дел, а масштаб временной развертки (скорость перемещения луча в горизонтальной плоскости) 1 мс/дел.
Включить источники питания стенда .
Установить на выходе функционального генератора стенда частоту следования импульсов равную 1,0 кГц.
С помощью переменного резистора обратной связи дифференцирующего звена R9 получите на его выходе (гнездо № 12) короткие импульсы максимальной амплитуды (см. лабораторную работу № из методических указаний по выполнению лабораторных работ по электронике часть II ………………………………………………………………)
Измерение uвых(t), uc(t) и uпос(t) (u(+)) производить подключая вход Y осциллографа к гнёздам №№ 14, 10 и 13 соответственно.
Наблюдаемые осциллограммы напряжений переносить на графики рис. 2.9 и 2.10 с соблюдением масштаба, располагая кривые вертикально одну под другой с соблюдением временной синхронизации. Напряжения uC(t) и uпос(t) изображать на одном графике.
2.2.3.3. Определить максимальную частоту повторения запускающих импульсов, при которой ждущий мультивибратор работает устойчиво.
Указания
Изменяя частоту задающего функционального генератора G наблюдать за изменением периода следования и формой выходных импульсов. Зафиксировать частоту следования запускающих импульсов при которой происходит срыв в работе мультивибратора.
2.3. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
2.3.1. Тема и цель работы.
2.3.2. Принципиальная схема симметричного автоколебательного мультивибратора и осциллограммы исследуемых напряжений с указанием на графиках их параметров.
2.3.3. Результаты расчетов и T.
2.3.4. Принципиальная схема несимметричного автоколебательного мультивибратора и осциллограммы исследуемых напряжений.
2.3.5. Принципиальная схема одновибратора и осциллограммы исследуемых напряжений.
2.3.6. Выводы по работе.
2.4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
2.4.1. Какое назначение автоколебательного мультивибратора?
2.4.2. Какие функции выполняют цепи ООС и ПОС в мультивибраторе?
2.4.3. Перечислите параметры выходных импульсов мультивибратора.
2.4.4. Можно ли изменить амплитуду выходных импульсов в исследуемой схеме мультивибратора? Если возможно, то как это сделать?
2.4.5. Как регулируются временные параметры выходных импульсов в мультивибраторе?
2.4.6. За счет каких схемных решений создаётся несимметричный режим работы мультивибратора?
2.4.7. Как создаётся ждущий режим работы мультивибратора?
2.4.8. Чем определяются параметры запускающих импульсов в одновибраторе?
ЛИТЕРАТУРА. [1] – c. 118…124, [2] – c. 187…194, [3] – с. 404…412, [4] – c.76…77.
Лабораторная работа №3
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ ЛИНЕЙНО ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ НАПРЯЖЕНИЯ
Цель работы – изучение схем, принципа работы и исследование характеристик генераторов линейно изменяющегося напряжения.
3.1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) относятся к числу генераторов импульсов специальной формы. При этом линейно изменяющимся напряжением принято называть импульсное напряжение, которое в течении некоторого времени изменяется практически по линейному закону, а затем быстро возвращается к исходному уровню (см. рис.3.1). ГЛИН служат для создания развёртки электронного луча по экрану электронно-лучевых приборов, получения временных задержек импульсных сигналов, модуляции импульсов по длительности и т. д. Находят применение напряжения, изменяющиеся по линейному закону как при одной (положительной или отрицательной) полярности, так и при обеих полярностях.
Рис. 3.1. Пример формы выходного сигнала генератора линейно изменяющегося напряжения положительной полярности.
Линейно изменяющееся напряжение (рис. 3.1) характеризуется максимальным значением Um, длительностью рабочего хода tР, временем обратного хода tо и коэффициентом нелинейности:
, (3.1)
где , - скорости изменения напряжения во времени (производные) соответственно в начале ив конце рабочего участка.
Формирование линейно изменяющегося (пилообразного) напряжения основано на чередовании во времени процессов заряда и разряда конденсатора.
Простейшая схема генератора, в котором для получения линейно изменяющегося напряжения используется участок, экспоненциального заряда конденсатора, приведена на рис. 3.2 а. Функцию элемента, создающего цепь для быстрого разряда конденсатора, выполняет транзистор.
Рис. 3.2. Простейшая схема генератора линейно изменяющегося напряжения (а); временные диаграммы поясняющие его принцип действия(б, в).
Разряд конденсатора и поддержание на нём напряжения, близкого к нулю, происходит в интервалах паузы tп входного сигнала (рис. 3.2 б, в), когда транзистор VT1 находится в режиме насыщения. Открытое состояние обеспечивается протеканием тока базы через резистор RБ. Линейно изменяющееся напряжение формируется, когда транзистор заперт входным импульсом напряжения отрицательной полярности длительностью tP.
Характер изменения напряжения на конденсаторе при закрытом транзисторе (считаем ) подчиняется закону
, (3.2)
где - постоянная времени зарядной цепи, выбираемая много больше времени tp.
Поскольку для конденсатора duc/dt = ic/С коэффициент нелинейности (3.1) может быть найден по значениям тока конденсатора в начале и в конце рабочего участка:
. (3.3)
Для рассматриваемого случая I(0) = ЕК/RК, I(tP) = (ЕК – Um)/RК, откуда .
В соответствии с выражением (3.3) идеальной линейности формируемого напряжения () соответствует процесс заряда конденсатора на интервале tP неизменным током.
В рассмотренных схемах нагрузка подключается непосредственно к конденсатору. При наличии нагрузки ток конденсатора на интервале tP равен разности токов заряда по цепи источника питания и разряда на нагрузку. Если учесть, что ток разряда возрастает по мере повышения напряжения, то результирующий ток конденсатора будет меньше, а его закон изменения будет отличать от режима холостого хода генератора. В схеме рис. 3.2 а в частности это приводит к нарушению постоянства тока конденсатора на интервале tP. Подключение нагрузки сказывается на уменьшении амплитуды Um формируемого напряжения и ухудшении его линейности. В связи с этим указанные схемы находят применение при высокоомной нагрузке, оказывающей малое шунтирующее действие на конденсатор. В противном случае применяют схемы, не имеющие непосредственной связи конденсатора с нагрузкой, либо схемы, обеспечивающие компенсацию воздействия нагрузки.
В настоящее время генераторы с малым значением коэффициента нелинейности (<0,01) и слабым влиянием нагрузки на форму выходного напряжения создаются с использованием операционных усилителей. Высокую линейность пилообразного напряжения позволяет обеспечить схема, приведённая на рис. 3.3 а. Генератор выполнен на основе схемы рис. 3.2 а. Выходное напряжение генератора представляет собой усиленное ОУ напряжение на конденсаторе, ОУ охвачен отрицательной (резисторы R1, R2 и источник питания Е0) и положительной (резистор R4) обратными связями.
Рис. 3.3. Схема генератора линейно изменяющегося напряжения на ОУ (а) и его временные диаграммы поясняющие его принцип действия (б, в).
Управление работой генератора производится транзистором VT осуществляющим разряд конденсатора до нуля и обеспечивающим малое время обратного хода t0 формируемого напряжения. Длительность открытого состояния транзистора VT определяется длительностью tп входного импульса напряжения положительной полярности (рис. 3.3 б). Вид кривых напряжений на конденсаторе и на выходе схемы показан на рис. 3.3 в, г. Рассмотрим процессы протекающие в схеме при формировании линейно изменяющегося напряжения. На интервале tр ОУ работает в линейном режиме. Если принять для ОУ u0 = 0, то напряжение u(-) = uc = u(+) и для цепи обратной связи по инвертирующему входу можно записать следующее уравнение для токов:
откуда
(3.4)
Токи цепи обратной связи по неинвертирующему входу ОУ связаны соотношением
(3.5)
В результате подстановки выражения (3.4) в (3.5), а также учитывая, что находим
(3.6)
Характер изменения во времени напряжения на конденсаторе зависит от соотношения сопротивлений резисторов. Определяющих сомножитель второго члена левой части уравнения (3.6). При R3 > (R1 R4)/R2 и
R3 < (R1 R4)/R2 кривая напряжения uС получается соответственно вогнутой или выпуклой формы, а при
(3.7)
напряжение на конденсаторе изменяется во времени по линейному закону:
(3.8)
С учетом условия (3.7) имеем
, (3.9)
откуда ЕЗ > Е0.
Условие (3.7) обычно выполняют при соблюдении равенства:
R1 = R3, R2 = R4. (3.10)
Это необходимо для выравнивания входных сопротивлений ОУ по обоим входам.
При линейном характере изменения напряжения на конденсаторе выходное напряжение также будет изменятся по линейному закону. При Е0= 0 формируется выходное напряжение, как и напряжение uС (рис. 3.3 в), имеющее вид «пилы» положительной полярности.
Если нужно получить выходное напряжение, изменяющееся по линейному закону при обеих полярностях (рис. 3.3 г), то Е0 выбирают по требуемому значению начального напряжения на выходе генератора u(0), соответствующему uC = 0. Так для получения максимального значения Um пилообразного напряжения начальной величине uвых будет отвечать напряжение ОУ u(0) = -U-вых max (рис. 3.3 г). Из выражения (3.4) при uC = 0 находим
(3.11)
Напряжение на выходе по окончанию интервала tР при этом должно соответствовать напряжение U+вых max. Из выражения (3.4) с учетом условия (3.11) находим отношение сопротивлений резисторов в зависимости от максимального напряжения UC max на конденсаторе (рис. 3.3 в):
(3.12)
При U+выхmax = U-выхmax = ЕК1 = ЕК2 = ЕК = Um / 2 имеем
(3.13)
Максимальное напряжение на конденсаторе UCmax связано с длительностью tР зависимостью, получаемой из выражения (3.9):
(3.14)
Параметры элементов схемы будут определены, если для требуемых значений tР, Um выбирать R3, ЕЗ и UCmax. Сопротивление R1 = R3 выбирают в 3 – 5 раз меньшими входных сопротивлений ОУ для исключения влияния их нестабильности на работу схемы. Функцию ЕЗ обычно выполняет источник питания ОУ + ЕК2. Напряжение UCmax целесообразно выбирать минимальным, чтобы исключить влияние разброса параметров используемых резисторов на коэффициент нелинейности формируемого напряжения. Вместе с тем напряжение UCmax должно быть много больше напряжения на открытом транзисторе VT, определяющем уровень начального напряжения на конденсаторе. Вполне удовлетворительным считается выбор UCmax = 0,3 – 1 В.
Вариантов схем ГЛИН достаточно много. В частности, распространены генераторы на основе интегратора на ОУ, управляемого входным импульсом напряжения прямоугольной формы (см. рис. 2.5.3 Метод. указаний к лаб. раб. по дисциплине «Электроника» часть II, ЧГАУ, 2010 г.). На рис. 3.4 приведена схема ГЛИН, работающая в ждущем режиме на основе такого интегратора .
Рис. 3.4. Схема ГЛИН на основе интегратора на ОУ а), диаграммы управляющего б) и выходного в) сигналов.
В схеме рис. 3.4 для создания линейно изменяющегося во времени напряжения используется заряд конденсатора постоянным током
. (3.15)
Постоянство тока заряда конденсатора обеспечивается принципом функционирования ОУ, охваченного отрицательной обратной связью, и работающего на линейном участке передаточной характеристики (линейный режим работы ОУ). Так как при u(+) = u(-) = u(0) = 0
. (3.16)
Подставляя выражение (3.16) в (3.15) при Uвх < 0 = const (поданном на инвертирующий вход ОУ) и при Uвых(0) = 0 выходное напряжение будет изменяться во времени по закону
, (3.17)
т. е. выходное напряжении интегратора является линейно нарастающей функцией времени. При Uвх < 0 выходное напряжение изменяется аналогично, но с другим знаком. Т. е. является линейно убывающей функцией времени.
Пока транзистор VT заперт, в течении времени tР (рис. 3.4 в) происходит заряд конденсатора С и напряжение на нём нарастает по линейному закону так как ОУ стремится сделать разность потенциалов на его входах (u(0)) близкой к нулю. При подаче импульса управления uупр (рис. 3.4 а) на базу транзистора VT транзистор открывается и конденсатор быстро разряжается через него, после чего процесс зарядки конденсатора повторяется. Выходное напряжение схемы приобретает пилообразную форму, которая сохраняется до тех пор, пока его амплитудное значение не начнёт ограничиваться напряжением U+вых max.
Длительность tР определяется величиной ёмкости С и током её заряда, зависящем от uвх и сопротивления резистора R.
В настоящее время промышленность выпускает специализированные генераторы ЛИН в интегральном исполнении, у которых коэффициент нелинейности составляет доли процента.
3.2. СОДЕРЖАНИЕ И МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
3.2.1 Установкой необходимых перемычек на испытательной панели лабораторного стенда собрать схему исследований ГЛИН на ОУ (рис. 3.5) и показать её преподавателю.
Рис. 3.5. Схема исследований ГЛИН.
5 В, полярностью указанной на рис.3.5.
3.2.3. Исследовать с помощью осциллографа импульсные напряжения на выходе ГЛИН - uвых(t) и на базе транзистора VT - uупр(t). Изменяя частоту управляющих импульсов определить fКР, при которой параметры выходных импульсов удовлетворяют условиям: Um = Uвых max и tР TКР. Измерить амплитуды и длительности импульсов. Зарисовать полученные осциллограммы на график рис. 3.6.
Указания
Подключить вход Y осциллографа к выходу ГЛИН и произвести следующие настройки: нажатием клавиши перевести осциллограф в режим открытого входа, а нажатием клавиши в режим внешней синхронизации; установить масштаб по оси Y осциллографа - 5В/дел, а масштаб временной развертки (скорость перемещения луча в горизонтальной плоскости), обеспечивающий наблюдение на экране нескольких периодов импульсного сигнала.
Включить источники питания стенда .
Изменение частоты управляющих импульсов производить вращением ручки установки частоты функционального генератора.
Для получение коротких импульсов uупр на выходе дифференцирующего устройства произвести его настройку с помощью резистора R9.
Наблюдаемые осциллограммы напряжений переносить на графики рис. 3.6 с соблюдением масштаба, располагая кривые вертикально одну под другой с соблюдением временной синхронизации.
3.2.4. Расстраивая частоту следования управляющих импульсов uУПР в пределах наблюдать изменения формы выходного напряжения ГЛИН. Зарисовать на рис.3.7. осциллограммы напряжений полученные при f < fКР и f > fКР.
3.2.5. Для частоты следования импульсов управления fКР определить коэффициент b = TКР /, где постоянная времени интегрирующей цепи ГЛИН.
Указания
Информацию о номиналах RИ и СИ получить у преподавателя.
Рис. 3.6. Осциллограммы напряжений на выходах дифференцирующего устройства - uУПР и ГЛИН - uВЫХ .
Рис. 3.7. Осциллограммы напряжения на выходе ГЛИН при частоте следования управляющих импульсов f < fКР и f > fКР.
3.3. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
3.3.1. Тема и цель работы.
3.3.2. Принципиальная схема ГЛИН на ОУ и осциллограммы исследуемых напряжений с указанием на графиках их параметров.
3.3.3. Экспериментально определённые значения критической частоты fКР и коэффициента b.
3.3.4. Выводы о работе схемы ГЛИН.
3.4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
3.4.1. Какими основными параметрами характеризуется линейно изменяющееся напряжение?
3.4.2. На каком физическом процессе основана работа релаксационного ГЛИН.
3.4.3. Назовите достоинства и недостатки схемы ГЛИН, изображенной на рис. 3.2 а.
3.4.4. Поясните принцип работы схемы ГЛИН на ОУ (рис. 3.3 а).
3.4.5. Поясните принцип работы ГЛИН на основе интегратора на ОУ.
3.4.6. Как измениться форма выходного напряжения ГЛИН (рис. 3.4 а), если увеличивать (уменьшать) частоту запускающих импульсов?
3.4.7. Какой режим работы можно считать оптимальным для схемы ГЛИН (рис. 3.4 а) ?
3.4.8. Укажите полярность напряжения на конденсаторе С3 (рис. 3.5)
3.4.9. Поясните роль транзистора VT в схеме ГЛИН (рис. 3.4. а) и его влияние на форму кривой выходного напряжения.
3.4.10. Как необходимо изменить схему ГЛИН (рис. 3.4 а) чтобы изменить полярность выходного пилообразного напряжения?
3.4.11. Как определить по полученному коэффициенту b и эквивалентную постоянную времени релаксационной цепи ГЛИН на основе интегратора на ОУ.
3.4.12. Как изменить частоту, амплитуду ГЛИН (рис. 3.4 а)?
ЛИТЕРАТУРА. [1] – c. 127…127, [2] – c. 194…199, [3] – с. 412…424, [4] – c. 77…78.
ЛИТЕРАТУРА
PAGE 59
A
VA
WA
*
*
u
T
Um
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
t
а)
u
t
Т
Um
б)
u
t
Т
Um
в)
u
t
Т
Um
Um
г)
Um
0,9Um
0,1Um
0,5Um
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
t
u
0
EMBED Equation.3
А
В
-UВХ Н
+UВХ Н
+Uвых max
-Uвых max
б)
UВЫХ
UВХ1
UВХ2
+UП
-UП
UВЫХ
а)
uвых
0
UОП
U+ вых max
U- вых max
б)
EMBED Equation.3
uвых
uВХ
u0
UОП
+
+
-
-
а)
uВХ
u0
UОП
+
+
-
-
в)
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
R1
R3
R2
R4
uвых
uВХ
u0
UОП
+
+
-
-
а)
uвх
uвых
t
t
UОП
0
0
EMBED Equation.3
U-вых max
U+вых max
uВХ
+
-
а)
u0
UОП
+
-
EMBED Equation.3
R1
R2
uвых
EMBED Equation.3
uвых
uвх
UГ
UОТП
UОП
UСР
U+выхmax
U-выхmax
б)
uВХ
+
-
а)
u0
EMBED Equation.3
R1
R2
uвых
EMBED Equation.3
uвых
uвх
UГ
0
UОТП
UСР
U+выхmax
U-выхmax
б)
Выход
V2
Вход
UОП
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
R1
R2
R3
RОС1
RОС2
1
9
4
5
2
3
6
7
8
V1
uвх
DA1
+
-
+
-
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
9
EMBED Equation.3
R3
RОС1
RОС2
4
5
R1
R2
3
6
7
8
DA1
2
Вход У Вход Х
Осциллограф
U = f(t)
Функциональный генератор
Выход
G
Выход
Вход
1
t
UВЫХ
UВХ
Масштабы:
mt = ... мкс/дел
mUвх = ... В/дел
mUвых = ... В/дел
Выход
V2
Вход
UОП
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
R1
R2
R3
RОС1
RОС2
1
9
4
5
2
3
6
7
8
V1
uвх
DA1
+
-
+
-
Выход
V2
Вход
+
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
R1
R2
R3
RОС2
1
9
4
5
2
3
6
7
8
V1
uвх
DA1
+
-
-
RОС1
С
uвых
+ЕК
-ЕК
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
t1
t2
t3
t1
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
T
t
0
б)
t
0
t
u(+)
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
0
в)
г)
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
u(-)
u(0)
- (+)
(-)
(+)
-
+
u0
EMBED Equation.3
R
а)
EMBED Equation.3
R1
R2
uвых
EMBED Equation.3
u(-)
u(+)
б)
EMBED Equation.3
t2
EMBED Equation.3
uвых
+ЕК
-ЕК
t1
t3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
T
t
0
VD1
- (+)
(-)
(+)
-
+
u0
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3
а)
EMBED Equation.3
R1
R2
uвых
EMBED Equation.3
u(-)
u(+)
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
VD2
C
uвых
+ЕК
-ЕК
EMBED Equation.3
t1
t2
t1
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
t
0
б)
t
0
t
u(+)
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
0
в)
г)
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
u(-)
u(0)
uвх
t
0
t1
t1
t2
t3
tвост
д)
VD1
+
R1
-
uвх
+
C1
а)
R2
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
VD2
u0
EMBED Equation.3
C
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
uвых
Выход
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
VD
R6
R4
11
14
10
12
C1
13
DA2
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
R5
EMBED Equation.3
Вход Y
Осциллограф
R8…R10
UВЫХ
Масштабы:
mt = ... мкс/дел
mUвых = ... В/дел
t
uc
uпос
Масштабы:
mt = ... мкс/дел
mUс(t) = ... В/дел
mUпос(t) = ... В/дел
Масштабы:
mt = ... мкс/дел
mUвых= ...В /дел
t
Выход
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
VD
R6
R4
11
14
10
12
C1
7
13
DA2
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
R5
EMBED Equation.3
Вход У Внешняя
синхр.
Осциллограф
U = f(t)
Функциональный генератор
Выход
G
EMBED Equation.3
Диф. звено
Вход
Выход
uвых фг
Масштабы:
mt = ... мкс/дел
mUвыхфг = ... В/дел
t
uвх
uвых
uпос
u
t
tР
t0
Um
0
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
uвх
С1
RБ
RК
+ЕК
uвых
VT1
+
-
ic зар
ic разр
а)
uвх
uвых
0
0
t
t
tр
tп
t0
Um
ЕК
б)
в)
U-вых max
uвх
0
t
tр
tп
б)
uвых
0
t
t0
Um
в)
uc max
uc
t
0
Um
U+выхmax
г)
uвых
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
uвх
RБ
R3
+Е0
VT
+
-
ic
а)
uС
R4
EMBED Equation.3
R1
R2
+ЕЗ
С
u0
u(-)
u(+)
uупр
t
t
uвых
U+выхmax
uкэ нас
0
0
б)
в)
tР
а)
uвых
icзар
+
-
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
uвх
DA
EMBED Equation.3
R
С
u0
u(-)
u(+)
uупр
+
-
VT
Выход
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
С3
21
22
R13
20
DA4
EMBED Equation.3
R14
EMBED Equation.3
Вход У Внешняя
синхр.
Осциллограф
U = f(t)
UВХ
(0…30В)
Функциональный генератор
Выход
G
EMBED Equation.3
Диф. звено
Вход
Выход
VT
-
+
EMBED Equation.3
uВЫХ
Масштабы:
mt = ... мс/дел
mUвых = ... В/дел
uУПР
uвых
Масштабы:
mt = ... мс/дел
mUвых = ... В/дел
t