Основы электроники

1. Цельработы

— теоретическоеизучениеоперационногоусилителя ( ОУ);

— экспериментальноеисследованиедвухкаскадногоусилителя набазе ОУ.

2. Основныетеоретическиеположения

Операционнымусилителемназываетсяинтегральнаямикросхема,представляющаясобой усилительпостоянноготока с параметрами,приближающимисяк идеальным.Это — оченьвысокий коэффициентусиления (сотнитысяч), практическибесконечнобольшое входноеи малое ( десяткиОм ) выходноесопротивление,устойчивостьк воздействиюпомехи и др.

ЧастотнаяхарактеристикаОУ не имеетрезкого спадав области низкихчастот, а верхняя граничная частота имеет достаточнобольшое значение (сотни мегагерц).

ОУстроится подвух- или трехкаскаднойсхеме. Входнымкаскадом ОУявляется балансныйдифференциальныйусилитель,имеющий двасигнальныхвхода.

ПитаниеОУ осуществляется,как правило,от двух разнополярныхисточниковпитания одинаковогонапряжения.Условное обозначениеОУ представленона рис. 1.

рис.1.

Верхний на рисунках вход ОУ называется неинвертирующим входом (приподаче сигналана этот входфаза сигналана выходе совпадаетс фазой входного),а нижний —инвертирующимвходом (приподаче сигналана этот входфаза сигналана выходепротивоположнафазе входного).

Посколькукоэффициентусиления собственноОУ очень велик,то использованиеего в качествеусилителявозможно лишьпри охвате егоотрицательнойобратной связью(при отсутствииООС даже крайнемалый сигнал“шума” на входеОУ даст на выходеОУ напряжение,близкое к напряжениюнасыщения).

Наиболеетипичные схемыусилителя набазе ОУ имеютвид, представленныйна рис. 2. Коэффициентыусиления такихусилителейопределяютсяпараметрамицепи ООС и формулыдля их вычисленияприведены нарисунке.

рис.2

Амплитудныепередаточныехарактеристикиинвертирующегои неинвертирующегоусилителейс обратнойсвязью представленына рис. 3. (соответственно3-а и 3-б ).

рис.3

Наклонрабочего участкахарактеристикиопределяется,очевидно,коэффициентом( К ) усилениякаскада.

Нахарактеристикахимеются ярковыраженныеучастки насыщения,которые характеризуютсятем, что, начинаяс некоторогозначения входногонапряженияU_вхmax ,выходное напряжениене увеличивается,а остаетсяпостояннымна уровне некоторогозначения _нас,которое определяетсянапряжениемпитания микросхем ОУ. Обычно _нас меньше напряжения питания _п на ( 1 — 3 В).

Приусилении переменногонапряженияучасток насыщенияпроявляет себятем, что амплитудавыходногонапряженияне увеличивается,а остается науровне _нас,и появляютсянелинейныеискажения,возрастающиес ростом входногосигнала, ( рис.4. ).

рис.4

3. Описаниеобъекта и средствисследования.

Схемалабораторнойустановкипредставленана рис. 5.

рис.5

3.1. Предметомисследованияв настоящейлабораторнойработе является двухкаскадный усилитель, собранный на ОУ - микросхемах ДА1 и ДА2 — К140УД8А.

Значениярезисторовсхемы: R₁= R₂= R₄= R₅= 2.2 кОм;

R₃= R₆= 10 кОм.

ОУпитаются отисточникасимметричногонапряжения:10В.

В схемепредусмотреныконтрольныеточки длявизуализациии измерениясигналов:

1) навходе усилителя“ГС1” ,

2) навыходе первого— входе второгокаскадов “Вх1”,

3) навыходе усилителя“Вх2” .

3.2. Усиливаемыйсигнал синусоидальнойформы подаетсяна усилительот измерительногогенераторатипа ЛЗ1.

Дляэтого на генераторе,установленномна лабораторномстенде слева,необходимонажать клавишу“ ~ “ под надписью “род работы“ и сниматьсигнал с выхода“10V” , соединивего кабелемс гнездами “вход ГС1“ лабораторногостенда. Изменениеуровня выходного сигнала осуществляетсяручкой “уровень“.

Вгенераторене предусмотреноизмерениевыходногосигнала дляустановленияего значений.Поэтому дляустановкизаданной величинывыходногосигнала следует пользоваться дополнительнымиизмерительнымиприборами(здесь: Н3014).

Частота генератора задается с помощью кнопочного переключателя “множитель“и ручки плавногоизменениячастоты — “частота“.При этом частотасигнала определяетсяпо показаниюсветовогоиндикаторапо шкале “кГц”и значениюодного из множителей: ( 0.01 — 100 ).

3.3. Наблюдениеи измерениесигналов навходе и выходеусилителяосуществляетсяс помощьюосциллографическогомультиметраН3014.

3.3.1.Мультиметрможет подключатсяпопеременнок трем контрольнымточкам схемы:“ГС1” , “Вх1” и“Вх2” .

Примечание.Обозначениеконтрольныхточек обусловленоконструкциейлабораторногостенда и никакойсмысловойнагрузки вконтекстенастоящейлабораторнойработы не несет!

Вход“Y” мультиметрасоединяетсякабелем с гнездами“выход V~” налабораторномстенде, а подключениеего к контрольнымточкам осуществляетсянажатием кнопок“ГС1”, “Вх1” и“Вх2” под надписью“контроль V~”лабораторногостенда. Приэтом следуетубедиться, чтокнопка “ВСВ/ ВНК” под надписью“коммутатор”:левая — нажата,правая — отжата.

3.3.2. Измерениесигнала с помощьюмультиметрапроизводитсяпо устойчивомуизображениюэтого сигналана экране мультиметрас помощью двухмаркерныхзнаков, которыепоявляютсяна экране принажатой кнопкерода измерения“~V” и отжатойкнопке “N”.

Маркерыпредставляютсобой две яркиеточки, расположенныеодна под другойпо вертикали.Маркеры перемещаютсяв направлении:

слева-направо— ручкой “ ”

сверху-вниз— ручкой“ “

Расстояниепо вертикалимежду маркерамиизменяетсяручкой “ V , t “ иизмеряетсяв вольтах на“встроенном”в экран цифровомтабло, местоположениеи размер которогорегулируютсяручками “”, “”и “N " .

Такимобразом, еслиизображениеисследуемогосигнала с маркернымизнаками на немвыглядит, например,так:

тодвойная ампитуласигнала 2U_m= 4.52 В, т.е. U_m= 2.26 В или действующеезначение .

Примечание:Можно, конечно,сразу установитьмаркерные знакимежду точками,характеризующимидействующеезначениесинусоидальногонапряжения,но точностьизмерения приэтом оченьнизкая.

3.3.3. Получениеустойчивогоизображениясигнала наэкране мультиметраосуществляетсяручками: “t” и“стаб.” (приэтом в даннойлаболаторнойработе кнопки“IMS” и “x10” — нажаты,а с увеличениемчастоты следуетотжимать кнопку“x10”).

3.3.4.Установкаизображенияв пределахэкрана по вертикалиосуществляетсяручками “~”,“ ~“и кнопочнымпереключателем“1” , “100” и “1000”.

Числовоезначение унажатой кнопкипоказываетпредел измерениявеличины сигналапо цифровомутабло на экране.

4. Порядоквыполненияработы.

4.1. Снятиепередаточной( амплитудной) характеристикиусилителя.

4.1.1.Установитьна генератореЛ31 частоту выходногосигнала = 1 кГц.

4.1.2.Подключитьмультиметрк выходу генератора( клемма “ГС1”) ; получив наэкране устойчивоеизображениесигнала с генератора(см. пункт 3.3.3.) и измерив его, установить на его выходе с помощью ручки “уровень” 2U_mген=0.1B = 2U_mвх .

4.1.3.Переключитьмультиметрна выход первогокаскада усилителя(“Вх1”) и, установивизображениев пределахэкрана ручкамиуправлениямультиметра(см. пункт 3.3.4.),измерить значениенапряжения: 2U_mI.

4.1.4.Переключитьмультиметрна выход усилителя(“Вх2”) и измеритьзначение напряжения2U_mвых.

4.1.5. Повторитьп.п. 4.1.2. — 4.1.4. для рядазначений 2U_mвх изтабл. 1 и данныеизмеренийзанести в этутаблицу.

Таблица1

4.1.6. По результатам измерений построить график зависимости U_mвых= f ( U_mвх) и определитьдиапазон входныхнапряжений:

U_{mвх мин}= U_mвх= U_{mвх макс},

соответствующийрабочему участкухарактеристики.

4.1.7. Впределах рабочегоучастка передаточнойхарактеристикиусилителяопределитьпо экспериментальнымданным коэффициентыусиления каждогокаскада усилителяв отдельностии усилителяв целом и сравнитьих с ожидаемыми,полученнымив результатерасчета поданным схемыусилителя (рис.3.1.) .

4.2. Снятиеамплитудно-частотнойхарактеристики( АЧХ ) усилителя.

4.2.1.Установить на выходе генератора — входе усилителя напряжение 2U_mвх впределах рабочегоучастка передаточнойхарактеристикиусилителя(мультиметрподключен кточке “ГС1”) .

4.2.2. Измеритьнапряжениена выходе усилителя“2U_mвых”с помощью мультиметра( мультиметрподключен кточке “Вх2” )для различныхзначений частотывходного сигнала( устанавливаемойтак, как этоописано в пункте3.2.), взятых изтаблицы 2. Результатыизмерениязанести в таблицу2.

таблица2

2U_mвх= .. .

4.2.3.Рассчитатьзначения К иК / К₀ и занести ихв таблицу 2 ( К₀— значениекоэффициентаусиления начастоте 20 Гц ).

4.2.4. Построитьграфик зависимости:

иопределитьрабочую полосучастот усилителядля коэффициентачастотныхискажений М= 3 дб.

4.3. Сделатьвыводы по проделаннойработе, исходяиз результатовизмерений.

5. Содержаниеотчета

1. Названиеи цель работы.

2. Схемалабораторнойустановки.

3. Таблицыизмерений.

4. Формулыдля расчетаи расчет искомыхпараметров.

5. Выводыпо работе.

6. Контрольныевопросы

1. Чтоназываетсяоперационнымусилителем?

2. Каковпорядок величиносновных параметровОУ ?

3. Сколькои какие входыу ОУ ? Почемуони так называются?

4. Чемобъясняетсянеобходимостьвведенияотрицательнойобратной связив схемах усилителейна базе ОУ ?

5. Какованижняя границачастотногодиапазонаработы ОУ ?

6. Чемопределяетсякоэффициентусиления набазе ОУ ?

7. Какимипараметрамиусилителя набазе ОУ определяетсядиапазон входногонапряженияусилителя ?

8. Чемопределяетсямаксимальноезначение напряженияна выходе ОУ?

7. Списокрекомендуемойлитературы.

1. ЗабродинЮ.С. Промышленнаяэлектроника— М. : Высшая школа,1982.

2. ХоровицП., Хилл У. Искусствосхемотехники.Ч. I, II: Пер. с. англ./ Под. ред. М.В.Гальперина— М. : Мир., 1983.

3. Основыпромышленнойэлектроники/ Под ред. В.Г.Герасимова— М. : Высшая школа, 1986.

4. ЩербаковВ.И., Гредов Г.И.Электронныесхемы на операционныхусилителях: Справочник.— Киев : Техника,1983.

8

1. Цель работы

Исследованиевозможностиступенчатогоизменениякоэффициентаусиления усилителяна ОУ в некоторыхпределах сзаданием величиныего в виде цифровогокода.

2. Основныетеоретическиеположения.

Как известно,коэффициентусиленияинвертирующегоусилителя наОУ (рис. 2.1.) определяетсявыражением:

К = R_oc/ R_вх,(1 )

рис. 1.

Для изменениякоэффициентаусиления, очевидно,необходимоизменениезначениясопротивлениявходной цепиR_вхили сопротивленияцепи обратнойсвязи R_осили обоих вместе.

Включив всхему усилителяв качествесопротивленийR_вх иR_осступенчато,предусмотревдля этого группырезисторовтак, как этопоказано, например,на рис. 2.

рис. 2.

Здесь сопротивлениеR_вхможет приниматьзначениесопротивленияR1 либо R2, либоR1+R2 в зависимостиот того, замкнутыили разомкнутыключи SA1 и SA2.

Аналогичнои с сопротивлениемв цепи обратнойсвязи, где егозначение определяетуже состояниеключей SA3 и SA4.

И если теперьсостоянию“замкнуто”ключей присвоитьсимвол “0”, а“разомкнуто”— “1”, то каждомуиз ряда значенийкоэффициентовусиления будетсоответствоватьсвой четырехсимвольныйцифровой код,читаемыйслева-направодля ключей SA1- SA2 соответственно.Так, например,код 0101 будетсоответствоватькоэффициентуусиления К,определяемомувыражением:

K = R5 / R2,

или код “1111”- К = ( R4 + R5 ) / ( R1 + R2 ),

или код “1011”- К = ( R4 + R5 ) / R1.

И, наконец,если ключи SA1- SA2 выполнитьне механическими,как это показанона рис. 1., а электрическими,то требуемыйкоэффициентусиления можнозадавать наЭВМ, в видеуказанногодвоичного кода.

3. Описаниеобъекта и средствисследования

Электрическаяпринципиальнаясхема исследуемогов лабораторнойработе усилителяпредставленана рис 3.

рис. 3.

3.1. Схема включаетв себя: ОУ-ДА(микросхемаКР140УД8А), а резисторыR₁ - R₄входной цепии цепи обратнойсвязи, электронныеключи на полевыхтранзисторахVT1 и VT2 (КП103Л), кнопкиSA1 и SA2 заданияцифрового кода.

3.2. Значениярезисторовсхемы:

R₁ =2 кОм, R₂= R₃ = 16 кОм,R₄ = 18 кОм.

3.3. КнопкамиА1 и А2 имитируютсясимволы “0” или“1” цифровогокода. Причемподача на затвортранзисторовс каналом р-типанапряжения+5В соответствуетсимволу “1”, а0В ( ) — символу “0”.

Кнопки SA1 иSA2 расположенына переднейпанели блокауправленияК32 в левой частипод надписью“Программаторкодов”. Нажатиекнопки соответствуетподаче символа“1” ( при этомзагораетсясветодиод околокнопки ), отжатоесостояние —символ “0” (светодиодпогашен ).

3.4. Сигнал навход усилителяподается сизмерительногогенератораЛ31. Для этогонадо соединитьдополнительнымпроводом гнездона переднейпанели “ГС1”с гнездом наплате “XS1”, а кнопку“ВсВ / ВнК” надгнездом “ГС1”и аналогичнуюкнопку в поленадписи “ГН1”на переднейпанели К32 нажать.

3.5. Сигналына входе и выходеусилителяизмеряютсяс помощьюосциллографическогомультиметраН3014 так, как этоделалось припроведениипредыдущейлабораторнойработы на этомстенде.

Мультиметрподключаетсяпо входу усилителяпри нажатиикнопки “ГС1”под надписью“Контроль V ~ ”и к его выходупри нажатиикнопки “ВХ2”(при этом праваякнопка “ВсВ/ ВнК” под надписью“Коммутатор”должна бытьотжата.

4. Порядоквыполненияработы.

4.1. Расчетнаячасть.

4.1.1. ПользуясьзначениямисопротивлениярезисторовR1 - R4, приведеннымив пункте 3.2., иформулой ( 1 ),рассчитатьзначения коэффициентаусиления усилителя,которые можетобеспечитьусилитель посхеме, приведеннойна рис. 3.1.

4.1.2. Пользуясьсведениямии раздела 2 поставитьв соответствиеполученнымзначениямкоэффициентаусиления цифровыекоды из символов“0” и “1”, соответствующихсостояниюкнопок SA1 и SA2 (см.п. 3.3.).

Полученныерезультатызанести в таблицу1.

таблица 1

4.2. Снять передаточнуюхарактеристикуусилителя.

4.2.1. Установить,задавая цифровойкод кнопкамиSA1 и SA2, значениекоэффициентаусиления усилителяприблизительноиз серединыдиапазона егоизменения.

4.2.2. Установитьна выходе генераторасинусоидальныйсигнал частотойF = 1 кГц.

4.2.3. Изменяязначение напряженияна входе усилителяи пользуясьуказаниямип. 3.6., снять передаточнуюхарактеристикуU_{m вых}= f ( U_{m вх}) и результатызанести в таблицу2.

таблица 2.

4.2.4. По результатам измерений построить график зависимости U_{m вых}= f ( U_{m вх}).

4.3. Экспериментальноопределитьзначениякоэффициентовусиления усилителяи сравнить ихс расчетнымизначениями,полученнымипри выполнениип. 4.1.1. Для этого:

4.3.1. Устанавливаякнопками SA1 иSA2 значениякоэффициентаусиления усилителяпри напряжениина входе U_mвх =0.5 В, измеритьнапряжениена выходе усилителяU_{m вых}.

Результатыизмеренийзанести в таблицу3.

таблица 3.

4.4. Снятьамплитудно-частотнуюхарактеристикуусилителя.

4.4.1. Установитьмаксимальныйкоэффициентусиления усилителяи, изменяя частоту входного сигнала при постоянном входном напряжении U_{m вх}= 0.5 В, измеритьнапряжениена выходе усилителя.Данные измеренийзанести в таблицу4.

таблица 4.

где К₀— коэффициентусиления наминимальнойчастоте.

4.4.2. Построитьграфик амплитудно-частотнойхарактеристики.

5. Содержаниеотчета

1. Названиеи цель работылабораторнойработы.

2. Схема электрическаяпринципиальнаяисследуемогоусилителя.

3. Таблицы сданными.

4. Графикихарактеристик.

5. Выводы поработе.

6. Контрольныевопросы

1. Чем определяетсякоэффициентусиления усилителяна ОУ ?

2. Каковы способырегулировкикоэффициентаусиления усилителя?

3. Как работаетпростейшийэлектронныйключ на полевомтранзисторе?

4. При подачекаких напряженийполевой транзисторс каналом р-типа открыт ( закрыт) ?

5. Изобразитепередаточнуюхарактеристикуполевого транзисторас ка наломр-типа.

6. Объяснитеход АЧХ усилителяна ОУ.

7. Списокрекомендуемойлитературы.

1. ЗабродинЮ.С. Промышленнаяэлектроника— М. : Высшая школа,1982.

2. ХоровицП., Хилл У. Искусствосхемотехники.Ч. I, II: Пер. с. англ./ Под. ред. М.В.Гальперина— М. : Мир., 1983.

3. Основыпромышленнойэлектроники/ Под ред. В.Г.Герасимова— М. : Высшая школа, 1986.

4. ЩербаковВ.И., Гредов Г.И.Электронныесхемы на операционныхусилителях: Справочник.— Киев : Техника,1983.

5

1. Цельработы.

Цельюработы являетсяэкспериментальноеисследованиевыпускаемогопромышленностьюаналоговогокомпаратораэлектрическихсигналов типаК5554 СА2.

2. Основныетеоретическиеположения.

Простейшиманалоговымкомпаратором,как известно,является операционныйусилитель безООС (рис. 1).

рис.1.

Приподаче на одиниз входов ОУвходного, а надругой — опорногонапряжений,момент их равенстваотмечаетсякомпараторомсменой уровнянапряженийна выходе с“+U_нас”на “-U_нас”или наоборот(см. Эпюры нарис. 1). Передаточнаяхарактеристикаприведенногокомпараторапредставленана рис. 2.

Приведенныйвыше компараторотносится кдвухвходовым,в отличие отодновходовыхкомпараторов,одна из схемкоторых представленана рис. 3.

рис.2.

рис.3.

Нетруднопоказать, чтонапряжение,при которомпроизойдетсрабатываниекомпаратора,U порога, определяетсявыражением:

U_пор= - U_опR1 / R2,.. . (1)

Еслитеперь на компаратор(рис. 3) податьпериодическоевходное напряжение,то на выходеего формируетсятакже периодическое напряжение типа “несимметричныймеандр” (рис.4).

рис.4.

Знаязакон изменениявходного сигналаи параметрыэлементов схемыкомпаратора,можно определитьвременныепараметрывыходногосигнала t₁и t₂на рис. 4.

Выпускаемыепромышленностьюкомпараторывключают всебя, кроме ОУ,схему формированияуровня сигналас тем, чтобыего можно былонепосредственноподавать навход цифровыхинтегральныхмикросхем.

Передаточнаяхарактеристикаодного из такихкомпараторовможет, например,иметь следующийвид (рис. 5).

рис.5.

ЗдесьU¹и U⁰— уровни напряжения,соответствующиелогической“1” и логическому“0” на входахцифровых микросхем.

Примеромтакого компаратораявляется микросхемаК554СА2, исследуемаяв данной работе.

3. Описаниеобъекта и средствисследования.

Схемаисследуемогоузла представленана рис. 6. Узелвключает в себяблок компаратораи элементыиспытательногоустройстваК32.

рис.6.

3.1. Блокпредставляетсобой одновходовыйкомпараторна микросхемеДА-К554СА2, имеющейследующиеэлектрическиепараметры:

— напряжениепитания:U_П1= +12 В,U_П2= -6 В;

— уровнисигналов навыходе:U¹= ( 2.5 — 4 ) B;U²= 0.3 B;

— время переключения выходного напряжения с низкого на высокий уровень:t_зад^0.1= 130 нс.

3.2.. Опорноенапряжениеподается черезрезистор R1 = 2.2 кОмсо встроенного(в блок К32) генераторапостоянногонапряжения— ГН2, органыуправлениявеличинойнапряжениякоторого расположенына переднейпанели блока К32 в поле надписи“ГН2”. Напряжениес генератораГН2 контролируетсямультиметромН3014 при нажатиикнопки “ГН2”под надписью“контроль V =“; на мультиметрепри этом должнабыть нажатакнопка “ - V ” родаизмерения.

3.3. Нанеинвертирующийвход компаратораДА кроме постоянногонапряженияподается ещеи переменныйсигнал треугольнойформы с генератораЛ31, установленногона блоке К32 слева.Органы выбораформы сигнала,установкичастоты сигналаи регулировкиуровня (амплитуды)сигнала расположенына переднейпанели генератора.Сигнал с генератораснимается свыхода “10 B”,имеющего выходноесопротивлениеr_вых= 500 Ом. Его значениенеобходимоучитывать вдальнейшемпри расчетепороговогозначения напряжениякомпаратора(п.4.1.3) , аналогичнозначениюсопротивлениярезистора R1 насхеме рис.3.

Подключениемультиметрак выходу генераторадля наблюденияформы сигналаи установкиего заданнойамплитудыпроизводитсянажатием кнопки“ГС1”под надписью“Контроль V ~”.

3.4. Наблюдениеформы и измерениепараметроввыходногосигнала с компаратораосуществляетсяподключениеммультиметрак выходу последнегонажатием кнопки“ Вх2”под надписью “Контроль V~”.Для измеренияамплитуды иливременныхпараметроввыходногосигнала (а равнои напряженияс генератораГС1) на мультиметредолжны бытьнажаты кнопкирода измерениясоответственно,“~V” или “t”.

4. Порядоквыполненияработы.

4.1. Пользуясьтеоретическимматериаломнастоящейработы и конспектомлекций, самостоятельноразобратьработу исследуемогокомпаратора(рис. 6).

4.1.1.Изобразитьпередаточнуюхарактеристикуисследуемогокомпараторатак, как этобыло изображенодля другойсхемы компараторана рис. 3, с учетомуровней сигналана выходе микросхемы(п. 3.1.).

4.1.2.Изобразитьэпюры напряженийна входе и выходеисследуемогокомпаратора так, как этобыло изображенона рис. 4, длявходного напряжениятреугольнойформы.

4.1.3. Поэпюрам сигналовп. 4.1.2 и по параметрамвходного сигналатреугольнойформы F=1 / T и U_m и значениюнапряженийU_оп, заданныхпреподавателемотдельным длякаждой бригады,рассчитатьпараметрывыходногосигнала t₁и t₂.

4.1.4. ПользуясьэлектрическимипараметрамимикросхемыК554СА2 (п. 3.1.), определитьамплитудуимпульсов навыходе компаратораU_{m вых}, путем заданияее минимально-и максимальновозможныхзначений :

U_{m вых}= (U_{m вых мин} + U_{m вых макс})В.

4.2. Проверитьэкспериментальноработу компараторав заданномрежиме. Дляэтого:

4.2.1. Убедитьсяв том, что:

— выходгнезда ГС1 наблоке К32 проводникомсоединен сгнездом XS1 наплате;

— кнопка“ ВСВ / ВНК “ вполе надписи“КВУ” и аналогичныев поле надписи“коммутатор”— отжаты;

— кнопка“ВСВ / ВНК” надгнездом “ ГС1”— нажата;

— кнопки“ВСВ / ВНК” вполе надписей “ГН1” и “ГН2”соответственнонажата и отжата.

4.2.2.Контролируясигнал на выходегенератора(п. 3.3) установитьего параметры,заданные ранеепреподавателем.

Примечание:Форма треугольногосигнала с генераторана экране мультиметраможет наблюдатьсяискаженной(“срезан нижнийзуб”). Это объясняетсяшунтированиемвыхода генераторавспомогательнымицепями узлакомпаратора.Поэтому навремя установкизаданной амплитудытреугольногосигнала необходимоотключитьвходную цепькомпаратораотжатием кнопки“ВСВ / ВНК” надгнездом “ГС1”.

4.2.3.Установитьзаданное опорноенапряжение(п. 3.2) на генератореГН2 (регулируетсядвумя ручкамив поле надписи“ГН2”.

4.2.4. Наблюдаясигнал на выходекомпаратора,измерить еговременныехарактеристикии амплитудусигнала. Данныепредварительногорасчета иэкспериментазанести в таблицу1.

таблица1.

4.2.5.Зарисоватьв масштабеэпюры напряженийна входе и выходекомпараторав едином масштабевремени, аналогичноэпюрам на рис.4.

4.2.6. Изменяяв небольшихпределах параметрывходного сигналаи опорное напряжение,пронаблюдатьизменениепараметроввыходногосигнала. Произвестикачественнуюоценку измененийс краткой записьюрезультата,

5. Содержаниеотчета.

1. Названиеи цель лабораторнойработы.

2. Схемаисследуемогоузла.

3. Формулыдля расчета,расчеты, графики эпюры сигналовпо п.4.1.

4. Таблицаи эпюры сигналовпо п. 4.2.

5. Выводыпо работе.

6. Контрольныевопросы.

1. Чтоназываетсяаналоговымкомпаратором?

2. Что является основойдля построениясхем аналоговыхкомпараторов?

3. В чемотличие междуодновходовыми двухвходовымкомпаратором?

4. Чемопределяютсяуровни выходногонапряжениякомпаратора?

5. Изкаких основныхузлов состоитсхема — компаратор?

6. Чем определяетсяпорог срабатыванияодновходовогокомпаратора?

7. Качественнооцените параметрывыходногосигнала исследуемогов работе компарато ра при подачена его входпрямоугольногоразнополярногосигнала.

7. Списокрекомендуемойлитературы.

1. ЗабродинЮ.С. Промышленнаяэлектроника— М. : Высшая школа,1982.

2. ХоровицП., Хилл У. Искусствосхемотехники.Ч. I, II: Пер. с. англ./ Под. ред. М.В.Гальперина— М. : Мир., 1983.

3. Основыпромышленнойэлектроники/ Под ред. В.Г.Герасимова— М. : Высшая школа, 1986.

4. ЩербаковВ.И., Гредов Г.И.Электронныесхемы на операционныхусилителях: Справочник.— Киев : Техника,1983.

7

Исследованиегенераторааналоговыхсигналов

1. Цельработы.

Цельюнастоящейработы являетсяизучение одногоиз вариантовисполненияэлектрическихсхем генераторовсигналов специальнойформы.

2. Основныетеоретическиеположения.

2.1. Принципдействия генераторовэлектрическихсигналов основанна использованииявления положительнойобратной связи,охватывающейусилительныекаскады (рис.1).

рис.1.

Причем,для возникновениягенерациинеобходимо,чтобы коэффициентусиления каскадаК — превышал некотороекритическоезначение ,что при использованиисовременнойэлементнойбазы не являетсяпроблемой.

Формасигнала, вырабатываемогогенератором,зависит от видацепи положительнойобратной связи.Если в качествеэлемента цепиобратной связииспользоватьполосовойфильтр высокойдобротности,то генераторбудет вырабатыватьсигнал синусоидальнойформы определеннойчастоты. Такиеустройстваносят названиегенераторовгармоническихсигналов.

К другомуклассу генераторовотносятся т.н.генераторысигналов специальнойформы, вырабатывающиесигналы прямоугольной,треугольной,пилообразнойи т.д. формы.

Схемныереализацииупомянутыхгенератороввесьма многочисленны.Остановимсяна одной изних.

2.2. Нарис. 2 представленасхема генераторасигнала прямоугольнойформы. Такиегенераторытакже называютмульивибраторами.

рис.2.

Представленныйгенераторпредставляетсобой операционныйусилитель ОУ— ДА, охваченныйположительнойобратной связьючерез цепь R2 —R3. С другой стороны,эту схему можноохарактеризоватьисходя из того,что ОУ — ДА срезисторамиR2 — R3 представляютрегенеративный компаратор, так называемый триггер Шмидта, охваченный ООС по цепиR1 — C.

Эпюрынапряжений,поясняющиеработу генератора,представленана рис. 3.

рис.3.

Рассмотримработу генератора.

2.2.1. Привключениипитания в силудействияположительнойобратной связив схеме происходитлавинообразныйпроцесс, в результатекоторого напряжениена выходе ОУустанавливаетсяна уровне напряжениянасыщенияположительнойили отрицательнойполярности.Пусть, например,в момент времениt=0 установилосьнапряжение+U_нас.

2.2.2. Сэтого моментавремени начинаетсязаряд конденсатораС по цепи: (+U_п1)— (выход ДА) —(R1) — (С) — (“корпус”— ).

Напряжениена конденсатореU_cрастет по экспоненте,стремясь квеличине +U_нас(участок t0 — t1 нарис. 3).

2.2.3. Наэтом отрезкевремени навходе “Р” ОУдействуетположительноенапряжениеU₀, определяемоесоотношением:

U₀= U_насR₃/ (R₂+ R₃), (1)

Кактолько возрастающеенапряжениена конденсатореU_cдостигнет этогозначения, произойдетлавинообразныйпроцесс, приводящийк “опрокидыванию”мультивибратораи установлениюна его выходенапряжения-U_нас— момент времениt₁.

2.2.4. Сэтого моментапроисходитперезарядконденсатораС по цепи: (“корпус”— ) — (С) — (R1) — (выходДА) — (-U_п2).Напряжение,меняя свойзнак, изменяетсяпо экспоненциальномузакону, стремяськ напряжению-U_нас(участок t1 — t2).

2.2.5. Наэтом отрезкевремени навходе “Р” ОУдействует ужеотрицательноенапряжениеU₀, определяемоесоотношением(1). Как тольконапряжениена конденсаторедостигнет этогозначения, произойдеточередное“опрокидывание”мультивибратораи на его выходеустанавливаетсянапряжение+U_нас(момент t2).

2.2.6. Сэтого моментавремени происходитперезарядконденсатораС по цепи, писаннойв п. 2.2.2. Описанныев п.п. 2.2.2. — 2.2.4. процессыповторяются,т.е. в генератореустанавливаетсяпериодическийпроцесс, формирующийна его выходеразнополярноенапряжениепрямоугольнойформы с амплитудой:

U_m= U_нас,(2)

2.2.7. Посколькупроцесс перезарядаконденсатораодной и другойполярностипроисходитпо цепям, содержащимидентичныеэлементы, интервалывремени:

(3)

иопределяютсяпостояннойвремени:

(4)

Исходя из вышеприведенныхсоображений,легко получитьсоотношениедля определениявременныхпараметроввыходногосигнала

(5)

(6)

2.2.8. Отметимтакже то, чторегулировкучастоты выходногосигнала можнопроизводитьизменениемзначений элементов,входящих в цепьзаряда-разрядаконденсатораС, т.е. изменениемсопротивлениярезистора R1 и(или) изменениемемкости конденсатораС.

2.2.9. Каквидно из эпюрна рис.3, напряжениена конденсатореU_c имеет форму,близкую к форметреугольногосигнала, с тойлишь разницей,что фронтыэтого сигналане линейны, аэкспоненциальны.

3. Описаниеобъекта и средствисследования.

Электрическаясхема исследуемогогенераторапредставленана рис. 4.

3.1. НамикросхемеК1402Д8А собрангенераторпрямоугольныхимпульсов,частота выходного сигнала которого регулируется переменным резистором R4 = 3.3 кОм.

Остальныепараметрыэлементовсхемы:

C1 = 1 мкФ; R6 = 1 кОм ; R7 = 100 кОм ; R8= 3.9 кОм.

Напряжениетреугольнойформы снимаетсяс конденсатораС1 и через регуляторуровня на переменномрезисторе R1подается накаскад усиления,собранный намикросхемеК140УД8А.

Данныерезисторовкаскада:

R2 = R3 = 680 Ом; R4 = 10 кОм.

Усиленныйсигнал треугольнойформы подаетсядля наблюденияна контрольнуюточку, обозначеннуюсимволом “Вх2”.

3.3. Получениесигнала синусоидальнойформы в данномгенератореосуществляетсяпутем двухстороннегоограничениясигнала треугольнойформы. Этоограничениевыполняетсяв блоке двухстороннегоограничения,собранном наполупроводниковыхдиодах, рассмотрениесхемы которогоне входит взадачу даннойлабораторнойработы.

Получаемаяс помощью этойоперации “синусоида”,как можно вэтом убедиться,экспериментальновесьма далекаот идеальнойи могла бы бытьиспользованалишь в аппаратуренизкого класса.

3.4. В этойсхеме сигналтреугольнойформы постоянноподключен кконтрольнойточке “Вх2”,“синусоида”и прямоугольныйсигнал подключаютсяк контрольнойточке “Вх1”через кнопкуSA1 (“ВсВ / ВнК”) ,расположеннуюна блоке К32 вполе надписи“коммуникатор”над гнездами“Вход 1”.

4. Порядоквыполненияработы.

4.1. Расчетнаячасть.

4.1.1. Пользуясьзначениямипараметровсхемы генератораиз п. 3.1. и формулами(3) - (6) рассчитатьпериод следованияи частоту выходногосигнала генератора:

;.

4.1.2. Исходяиз условия, чтонапряжениенасыщения навыходе операционногоусилителя на(2 - 3) В меньше напряженияпитания, определитьожидаемуюамплитуду U_mпрямоугольныхимпульсов навыходе генератора(формула 2).

4.1.3. Исходя из эпюр сигналовна генераторе(рис. 3) и параметровэлементов схемыи п. 3.2., рассчитатьамплитудуимпульсовтреугольнойформы на выходегенератора(“Вх2”) (при этомдвижок потенциометраР1 должен находитьсяв крайнем верхнемположении).

4.1.4.Результатырасчетов поп.4.1. свести втаблицу 1.

4.2.Экспериментальнаячасть.

4.2.1. Убедитьсяв том, что кнопка“ВсВ / ВнК” подподписью “КВУ”и аналогичнаяправая кнопкав поле надписи“Коммутатор”— отжаты. УстановитьпотенциометрR4.

4.2.2. Наблюдаясигнал прямоугольнойформы на выходегенератора,определитьего параметрыи полученныеданные занестив таблицу 1.Повторитьизмерениепериода следованияТ для другогоположенияпотенциометраR4, установленноголаборантомили преподавателем.

4.2.3. Наблюдаясигнал треугольнойформы на выходегенератора,определитьего параметрыи данные записатьв таблицу 1.

4.2.4.Зарисоватьэпюры сигналовп.п. 4.2.2. и 4.2.3. в единоммасштабе времени,с учетом измененияфазы каскадомна ДА2.

4.2.5. Проверитьи зарисоватьэпюру сигналасинусоидальнойформы на выходегенератораи определитьего амплитуду.

Таблица1.

5. Содержаниеотчета.

1. Названиеи цель работы.

2. Схемаисследуемогогенератора.

3. Формулыдля расчетови расчеты поп.4.1.

4. Таблицаи эпюры напряжений.

5. Выводыпо работе.

6. Контрольныевопросы.

1. Чтотакое положительнаяобратная связь?

2. Накакие два крупныхкласса подразделяютсягенераторыэлектрическихсигналов ?

3. Чтоназываетсямультивибратором?

4. Чемопределяетсячастота выходногосигнала исследуемогогенератора?

5. Чемопределяетсяамплитудавыходных импульсовгенератора?

6. Какаярегулировкачастоты сигналапредусмотренав схеме исследуемогогенератора?

7. Какуюроль выполняеткаскад на микросхемеДА2 (рис. 4) ?

8. КаковоназначениерезисторовR7 и R8 на схеме(рис. 4) ?

9. ЧторегулируетсяпеременнымрезисторомR1 на схеме генератора(рис. 4) ?

7. Списокрекомендуемойлитературы.

1. ЗабродинЮ.С. Промышленнаяэлектроника— М. : Высшая школа,1982.

2. ХоровицП., Хилл У. Искусствосхемотехники.Ч. I, II: Пер. с. англ./ Под. ред. М.В.Гальперина— М. : Мир., 1983.

3. Основыпромышленнойэлектроники/ Под ред. В.Г.Герасимова— М. : Высшая школа, 1986.

4. ЩербаковВ.И., Гредов Г.И.Электронныесхемы на операционныхусилителях: Справочник.— Киев : Техника,1983.

8