2. Порядок виконання роботи.

1.Запустити програму Electronics Workbench.

2.Задаючи різними значеннями ємності конденсатора "С", і опорами резисторів "R" ,по формулі [1] визначити теоретично частоту коливань.

3.Змоделювати практично процес коливань. Порівняти значення частоти, отримане практичним і теоретичним шляхом. Пояснити чому вони не рівні між собою?

Занести дані в таблицю

№ досліду	R. кОм	С. мкф	Частота, F теоретичне	Частота, F практичне
1
....
N

4.Чому форма сигналу відрізняється від чисто синусоїдального?

5.Аналіз генератора, побудованого за схемою моста Віна.

6.Ознайомитися зі схемою.

7.Повторити пункти 2-4 (формула 2). Занести дані в таблицю2 аналогічної попередньої.

8.Генератор Віна з застосуванням симетричного нелінійного зворотного зв'язку для обох напівхвиль вихідної напруги за рахунок використання двох стабілітронів.

9.Провести кілька досліджень. Занести дані в таблицю.

10. Узагальнити результати моделювання цих схем.

3. Зміст звіту.

1. Назва і мета роботи.

2. Зміст і послідовність виконання завдань.

3. Заповнені таблиці.

4. Висновки.

4. Контрольні питання.

1. Що таке генератор гармонійних коливань? Для чого він служить?

2. Які схеми використовуються при побудові RC-генераторів на ОП?

3. Які бувають генератори по типі ЧВЛ?

Лабораторна робота №2

Тема: “Аналогові обчислювальні машини.”

Мета: “Вивчити основи побудови і принципи роботи аналогових обчислювальних машин”

До базових аналогових обчислювальних машин відносяться сумматор, інтегратор і дифференциатор. Суматори використовуються в різних вимірювальних перетворювачах і коригувальних ланках, а також при моделюванні систем керування. Як правило, ці машини виконуються на базі ОУ за схемою підсилювача, що інвертує, (1), що забезпечує максимальну точність.

Рис. 1 Схема двухвходового суматора

Схема двухвходового сумматора представлена на рис. 10.14. Кожен вхід сумматора з'єднується з входом, що інвертує, ОУ через резистор, що зважує, (R1, R2,...,Rn). Вхід, що інвертує, називається підсумовуючим вузлом, оскільки отут суммируются усі вхідні струми і струм зворотного зв'язку. Як і в звичайному інвертуючому підсилювачі, напруга на інвертуючому вході, дорівнює нулю (унаслідок дії ВЗЗ), отже, дорівнює нулю і струм, що втікає в ОУ. Таким чином,

Так як напруга на інвертуючому вході приблизно дорівнює нулю, то Uo=Is Rs. Після перетворень одержуємо вираження для вихідної напруги сумматора в наступному виді:

Інтегратор — це електронна схема, вихідний сигнал якої пропорційний інтегралу від вхідного. Принципова схема простого аналогового інтегратора показана на рис. 2. На цій схемі конденсатор у ланцюзі зворотного зв'язку ОУ приєднаний між підсумовуючим входом і виходом інтегратора. Отже, напруга на конденсаторі приблизно дорівнює вихідній напрузі. При впливі постійної вхідної напруги Ui напруга на виході інтегратора є лінійною функцією часу: Uo=t-Ui/RC. Якщо напруга Ui на вході діє невиразно довгий час, вихідна напруга Uo буде змінюватися доти, поки не досягне величини напруги насичення ОУ (у цьому можна переконатися після включення схеми). Це відбувається тому, що по постійному струмі інтегратор є підсилювачем з розімкнутою петлею ЗЗ. Помітимо, що в інтеграторах з великими постійними часу RC повинні використовуватися ОУ з малими вхідними струмами і конденсатори з малими струмами витоку.

Рис. 2. Схема інтегратора

Рис.3

Рис.4

На практиці робота інтегратора звичайно поділяється на три періоди: уведення початкових умов, інтегрування і збереження результату інтегрування. Схема інтегратора з імітацією цих режимів приведена на рис. 3. Для введення початкових умов (заряд інтегруючого конденсатора С до напруги Uio=Uy2/Rl) використовується ключ-таймер К1, що спрацьовує через 1 с після включення схеми й утримується в замкнутому стані 1 с. Через 2 с після включення спрацьовує ключ К2 і починається процес інтегрування, що триває 3 с, після чого інтегратор переводитися в режим збереження (див. рис. 4).

Антиподом інтегратора по функціональному призначенню є дифференциатор (рис. 5), вихідний сигнал якого пропорційний швидкості зміни в часі вхідного сигналу Ui, тобто Uo=-RC(dUi/dt). При практичній реалізації цього дифференциатора виникають проблеми з забезпеченням його стійкості, оскільки такий пристрій є системою іншого порядку й у ньому можливо виникнення згасаючих коливань на визначених (звичайно високих) частотах, що підтверджується наявністю резонансного піка на його АЧХ (рис. 4, б).

Рис5 Схема ідеального діференціатора

Рис. 6 Схема реального диференціатора

У модифікованій схемі дифференциатора, показаної на рис. 6, а, додатково введений резистор Ri, що згладжує АЧХ дифференциатора і тим самим запобігає виникненню паразитних коливань. Опір

резистора Ri визначається з вираження : 

де 2лFоКо — добуток коефіцієнта підсилення на ширину смуги пропущення ОУ (цей параметр часто називають добротністю ОУ). При зазначеному на рис. 6 значенні Ri АЧХ дифференциатора здобуває вид, показаний на рис. 6, відкіля видно, що посилення на частоті 39 кгц зменшилося майже на 30 дб (див. рис. 5), а це означає, що на цій частоті паразитні коливання будуть зменшені на 30 дб. Основним критерієм при виборі ОУ для дифференциаторов є його швидкодія — потрібно вибирати ОУ з високою максимальною швидкістю наростання вихідної напруги і високим значенням добутку коефіцієнта підсилення на верхню граничну частоту (тобто великою площею посилення). Однак це не виключає необхідності використання додаткового резистора Ri.

При проектуванні інтеграторів і дифференциаторов істотне значення має також і вибір типу конденсатора. Оскільки вибір найчастіше обмежується конденсаторами з діелектриком, то в такому випадку необхідно мати у виді, що вони мають властивість неконтрольованого нагромадження зарядів. Це явище називається абсорбцією, сутність якого полягає в наступному (див. рис. 10).

Рис. 10

При короткочасному замиканні цілком зарядженого конденсатора "накоротко", точніше, на малий опір, ємність З (основна частина ємності, обумовлена швидкою поляризацією) розрядиться. У той же час ємність Са (частина ємності, обумовлена повільною поляризацією, тобто абсорбцією заряду) не встигне розрядитися, тому що швидкість її розряду буде визначатися великою постійною часу Ca(Ra+Ry), де Ry — опір витоку. Після розмикання обкладок конденсатора залишковий заряд ємності Са повільно перерозподіляється між емкостями Са і С и створює деяка напруга на обкладках конденсатора. Ця залишкова напруга складе лише деяку частину початкової напруги і після досягнення максимального значення буде поступово спадати згодом за рахунок саморозряду конденсатора.

Відношення залишкової напруги до зарядної напруги, виражена у відсотках, називається коефіцієнтом абсорбції Ка. Величина Ка залежить від умов іспиту і насамперед від часу заряду Т1, часу закорачивания Т2 і часу ТЗ установлення залишкової напруги Uост. Звичайно вибирають Т2=2...5 с;

при подальшому його збільшенні величина Ка помітно знижується; збільшення Т1 і Т2 приводить до зростання Ка. Звичайно вказують значення Ка при Т1=ТЗ=5...15 хв. Для багатьох типів конденсаторів ці значення не дають правильного представлення про максимально можливе значення коефіцієнта абсорбції, що може бути отримане при тривалій зарядці, порядку десятків годин, і такому часі ТЗ, що відповідає максимальному Uост.

Зі збільшенням ємності конденсатора швидкість наростання напруги Uост зменшується, а тому при невеликих значеннях часу ТЗ величина Ка знижується. При досить великих значеннях ТЗ величина Ка від ємності не залежить.

Величина коефіцієнта абсорбції становить інтерес не тільки при проектуванні пристроїв автоматики і вимірювальної техніки, у яких залишковий заряд на конденсаторах може істотно спотворювати результати вимірів, але і техніки безпеки при обслуговуванні установок із застосуванням високовольтних конденсаторів. Тому такі установки звичайно забезпечуються спеціальними розрядними чи опорами іншими розрядними пристроями, що забезпечують потрібний ступінь безпеки. У деяких випадках розрядні опори вбудовуються безпосередньо в конденсатор. При виборі розрядних опорів звичайно виходять з вимоги, щоб за час не більш 30 із з моменту відключення конденсатора напруга на його висновках упало до безпечного значення.

Для конденсаторів, що серійно випускаються, Ка при Т1=15 хв і Т3=3 хв знаходиться в межах від 0,01% для фторопластових до 15% для керамічних, а при Т1=25 ч і ТЗ=5...10 год відповідно 0,05 і 47% [40].

Схема для дослідження абсорбційних процесів ( рис. 10.21, а) у порівнянні зі схемою на рис. 10 доповнена контрольно-вимірювальними приладами, джерелом Ui постійної напруги, зарядним R1 і розрядним R2 резисторами і програмно-керованими перемикачами S1, S2, призначеними для завдання необхідних часових інтервалів Т1 і Т2. Нагадаємо, що для цих перемикачів задаються (щодо моменту початку запуску моделювання, тобто після включення вимикача у верхньому правому куті) наступні часові інтервали: Time on (Ton) — час включення і Time off (Toff) — час вимикання, тобто час включеного стану ключа дорівнює Toff-Ton. Для розглянутої схеми ці параметри мають наступні значення: час включення — 0,1 (5,1) з, час вимикання — 5 (6,1) з (у дужках зазначені значення параметрів для ключа S2), тобто (див. пояснення до рис. 10) Т1=5з,Т2=1с.

Рис. 11

Результати моделювання приведені на рис.11, відкіля видно: якщо час ТЗ вибрати з умови ТЗ=Т2=1 з, та залишкова напруга Uост складе близько 3 В, тобто коефіцієнт абсорбції в даному випадку дорівнює Ka=100Uост/Ui=100-3/10=30%.

Контрольні питання і завдання

1. Які функції може виконувати інтегратор, крім основного призначення?

2. Запустити програму Electronics Workbench. Відкрити файл avm1.ewb

Проведіть розрахунок вихідної напруги двухвходового сумматора на рис. 10.14 при зазначених на схемі параметрах і порівняєте отримані дані з результатами моделювання.

3. Відкрити файл avm2.ewb

Проведіть моделювання інтегратора за схемою рис. 6 при С=2 нф, Uy=2 В, Ui=200 мв. Результати моделювання інтегратора порівняєте з результатом розрахунку по формулі: Uo(t)=Ui-t/RC-Uy2/Rl.

4. Відкрити файл avm3.ewb

Проведіть моделювання дифференциатора на рис. 10 і досліджуйте вплив на АЧХ дифференциатора коефіцієнта підсилення ОУ при розімкнутому негативному зворотному зв'язку і частоти одиничного посилення (параметри А и Fu у вікні установки параметрів ОУ).

5. Досліджуйте залежність коефіцієнта абсорбції Ка від проміжків часу Т1 і Т2 для схеми на рис. 11, б; як залишкову напругу використовуйте його значення в момент Т2+1 с.

Лабораторна робота №3

Тема: ”Обмежувачі амплітуди”

Мета роботи: вивчити принцип побудови і роботи обмежувача амплітуди та область їх застосування.