Порядок виконання роботи

1. Дослідити суматор на ОП.

1.1. Увімкнути живлення модулів 13 і 18.

1.2. Для граничних положень змінного резистора визначити коефіцієнти підсилення суматора за кожним зі входів (гнізда XS1…XS3). Результати вимірювань занести в табл.6.1.

1.3. На вхід XS1 суматора подати гармонічний сигнал з генератора частотою 3кГц і амплітудою близько 5мВ, а на вхід XS3 суматора – сигнал з виходу модуля 18 (гніздо XS2). Зарисувати осцилограми сигналів в точках схеми XS1…XS4.

Таблиця 6.1

Вхід	вх	Uвих	Ku	Uвих	Ku
		R5 – ліворуч		R5 – праворуч
XS1
XS2
XS3

2. Дослідити ДП.

2.1. Увімкнути живлення модулів 14 і 18.

2.2. На вхід ДП XS1 подати сигнал з виходу модуля 18 (гніздо XS2). Зарисувати осцилограми сигналів в точках схеми ДП XS1, XS2 для різних положень перемикача SА1 (положення змінного резистора R4 у модулі 18 довільне).

2.3. Для положення перемикача “SА1 – уверх” зняти АЧХ ДП (U_вх ≈ 1Веф).

3. Дослідити ІП.

3.1. Увімкнути живлення модулів 15 і 18.

3.2. На вхід ІП XS1 подати сигнал з виходу модуля 18 (гніздо XS2). Зарисувати осцилограми сигналів в точках схеми ІП XS1, XS2 для різних положень перемикача SА1 (положення змінного резистора R4 у модулі 18 довільне).

3.3. Для положення перемикача “SА1 – униз” зняти АЧХ ІП (U_вх ≈ 1Веф).

Зміст звіту

Звіт повинен містити:

1. Принципові електричні схеми досліджуваних модулів.

2. Результати вимірювань, зведені в табл.6.1.

3. Осцилограми напруг в контрольних точках.

4. Графіки АЧХ ІП та ДП.

5. Висновки за результатами роботи.

Література: [2, с.301 – 311]; [7, с.83 – 87; 113 – 114]; [9, с.32 – 43], [16].

Питання для самоперевірки

1. Поясніть, які властивості ОП дозволяють здійснювати сумування сигналів.

1. Нарисуйте схеми суматора, ДП та ІП. Дайте їх порівняльну характеристику.

1. Доведіть математично для кожної зі схем правильність залежності вихідної напруги від вхідної.

1. Нарисуйте АЧХ ДП та ІП. Поясніть характер змін АЧХ.

1. Покажіть, як буде змінюватись вихідна напруга диференцюючого та інтегруючого підсилювачів при вхідній напрузі у формі прямокутного імпульсу.

Лабораторна робота 7 дослідження схем генераторів електричних сигналів

Мета роботи – вивчити принцип дії, особливості настроювання автоколивальних мультивібраторів на біполярних транзисторах та на ОП, генераторів гармонічних коливань і пилкоподібної напруги.

Короткі теоретичні відомості

Електронний генератор електричних сигналів – це електрична система, яка здійснює перетворення енергії джерела постійного струму в енергію електричних коливань заданої частоти і форми. Розрізняють генератори неперервних та імпульсних сигналів, генератори з зовнішнім збудженням та з самозбудженням (автогенератори). В генераторах із зовнішнім збудженням процес перетворення енергії джерела постійного струму відбувається під зовнішнім впливом. В автогенераторах цей процес відбувається в самому генераторі без яких–небудь сторонніх впливів. Крім того, автогенератори поділяють на автогенератори з м’яким та жорстким самозбудженням. В автогенераторах з м’яким самозбудженням коливання виникають і розвиваються з нескінченно малих рівнів. Для збудження коливань в автогенераторах із жорстким самозбудженням необхідний початковий поштовх.

Автогенератор принципово являє підсилювач (або каскад підсилення), вхідний сигнал якого є частиною вихідної напруги підсилювача, тобто автогенератор є підсилювачем зі ЗЗ (рис.7.1).

Рис.7.1

Сигнал з виходу підсилювача подається на його вхід через коло позитивного ЗЗ з коефіцієнтом ЗЗ β. Для виникнення коливань на виході автогенератора (автоколивань) повинні виконуватись умови самозбудження:

kβ ≥ 1, (7.1)

= φ_k + φ_β = 2nπ, n = 0,1,2…, (7.2)

де k – коефіцієнт підсилення підсилювача; β – коефіцієнт передачі кола ЗЗ, φ_k і φ_β – фазові зсуви, що вносяться підсилювачем і колом ЗЗ.

Умова (7.2) є умовою балансу фаз і визначає частоту автоколивань, умова (7.1) є умовою балансу амплітуд і вона визначає амплітуду автоколивань.

Автогенератори гармонічних коливань найчастіше мають коло ЗЗ частотно залежним, резонансного типу, оскільки АЧХ підсилювачів здебільшого є рівномірними у достатньо широкій смузі частот. При цьому самі підсилювачі можуть створюватись або на біполярних транзисторах, або на ОП.

Схема автогенератора гармонічних коливань на ОП наведена на рис.7.2. Частина напруги з виходу ОП подається на його прямий вхід через коло позитивного ЗЗ R1 – С1 – R2 – С2, яке являє собою міст Віна. Амплітудно– і фазово–частотна характеристики мосту Віна наведені на рис.7.3.

Частота автоколивань f₀ = 1/( ), або, при R1 = R2 = R і С1 = С2 = С, f₀ = 1/(2πRС). Для покращання форми коливань ОП охоплений негативним ЗЗ, який здійснюється за допомогою дільника напруги на резисторах R3, R4, з’єднаного з інверсним входом ОП. Глибина ЗЗ обирається достатньо великою, оскільки для виконання умови балансу амплітуд коефіцієнт підсилення ОП з негативним ЗЗ повинен бути лише більше 3, тобто R3/R4 ≥ 2.

Широке застосування знаходять також автогенератори розривних, або імпульсних коливань. Важливим різновидом таких автогенераторів є мультивібратори, які можуть виконуватися на транзисторах, логічних елементах, або на ОП.

Рис.7.2

Рис.7.3

На рис.7.4 наведено схему мультивібратора на біполярних транзисторах з відпираючими напругами зміщення.

Мультивібратор являє сукупність двох ідентичних підсилювальних каскадів, в яких база кожного з транзисторів через конденсатори С1 і С2 з’єднана з колектором другого транзистора. В таких мультивібраторах транзистори по черзі майже стрибком переходять від одного квазістійкого стану, коли транзистор є повністю відпертим (відкритим), до другого, коли транзистор стає запертим (закритим).

Якщо у деякий момент часу t відбулося перекидання стану транзисторів таким чином, що транзистор VT1 опинився відкритим, а транзистор VT2 – закритим, то напруга на колекторі VT1 є близькою до нуля, а на колекторі VT2 – майже дорівнює напрузі джерела живлення Е_к. Тоді конденсатор С1, заряджений до перекидання майже до напруги Е_к, почне розряджатися по колу: +Е_к  R_б2  С1  VT1  –Е_к, а конденсатор С2, розряджений до перекидання майже до 0, почне заряджатися по колу: + Е_к  R_к2  С2  проміжок база – емітер VT1  –Е_к. Оскільки VT1 знаходиться у стані насичення, то заряд С2 практично не впливає на величину напруги на базі VT1 і вона, як і напруга на колекторі VT1 залишається незмінною (рис.7.4). У той самий час розряд конденсатора С₁ призводить до збільшення напруги на базі транзистора VT2, оскільки u_б2 = u_К1 – u_С1. Напруга на колекторі VT2 за рахунок заряду С₂ експоненціально збільшується, а потім стабілізується на рівні ≈ Е_к (рис.7.4). Через час τ₁= 0,7R_б2 С₁ ln2 конденсатор С₁ розрядиться настільки, що напруга на базі VT2 досягне напруги відпирання VT2. Тоді в колекторному колі VT2 виникне колекторний струм, що призведе до зменшення напруги на колекторі VT2, а отже, і на базі VT1, оскільки u_б1 = u_К2 – u_С2. Це призведе до зменшення колекторного струму VT1 і збільшення напруги на колекторі VT1 і базі VT2. Тоді струм колектора VT2 збільшиться, що призведе до зменшення напруги u_К2 і збільшення напруги u_К1. Процес зменшення u_К2 і збільшення u_К1 відбувається лавиноподібно, завдяки чому схема майже стрибком перекидається і VT1 опиниться закритим, а VT2 – відкритим. Тепер конденсатори С1 і С2 міняються ролями, і мультивібратор знаходиться у перекинутому стані впродовж часу τ₂= 0,7R_б1 С2 ln2, коли напруга на базі VT1 не досягне напруги відпирання VT1. Далі робота мультивібратора періодично повторюється.

а

б

Рис.7.4

Період коливань напруг на колекторах транзисторів дорівнює:

Т = τ₁ + τ₂.

У випадку симетричного мультивібратора, коли R_б1 = R_б2 = R_б, С1 = С2 = С, Rк1 = Rк2 = Rк, період коливань становитиме:

Т = 2τ = 1,4R_бС,

а частота коливань:

f = 1/Т = 0,7/R_бС.

З діаграми на рис.7.4 видно, що за рахунок заряду конденсаторів С1 і С2 (зі сталою часу τ = СRк) за експоненціальним законом фронти вихідних імпульсів u_К затягуються, що збільшує їх тривалість τ_ф. Для покращання форми вихідних імпульсів змінюють шлях заряду конденсаторів, уводячи в схему зарядні резистори R6, R2 і розділяючи діоди VD1, VD2 (рис.7.7). Під час заряду конденсаторів С1 і С2 діоди запираються високим потенціалом на їх катодах і таким чином відключаються від колекторів транзисторів і підключаються до зарядних резисторів. При цьому напруга на колекторі VT1 або VT2 майже стрибком збільшується до Ек. Під час розряду С1 і С2 колектори VT1 і VT2 мають низькі потенціали, VD1 і VD2 відпираються звичайним шляхом.

Мультивібратори на ОП

Принципова схема і часові діаграми роботи автоколивального мультивібратора на ОП наведені на рис.7.5. Мультивібратор (рис.7.5,а) являє ОП, охоплений позитивним ЗЗ (дільник напруги на резисторах R1, R2, приєднаний до прямого входу ОП), а також інерційним ЗЗ (RС коло, з’єднане з інверсним входом ОП). Диференціальна вхідна напруга ОП становить:

u_вх.д = u_R1 – u_С.

У разі увімкнення живлення (джерела +Е та –Е на схемі не показані) частина напруги наявного розбалансу ОП через коло позитивного ЗЗ передається на прямий вхід ОП, який лавиноподібно переходить у стан насичення, тобто напруга на виході ОП (це також вихід мультивібратора) стрибком набуває значення U_max з полярністю власного розбалансу ОП (рис.7.5,б момент t₀). Після цього починається заряд конденсатора С по колу: +u_вих  R  С  спільна точка  +u_вих. При цьому u_вх.д зменшується і в деякий момент часу t₁ змінює полярність. Завдяки дії позитивного ЗЗ напруга на виході ОП лавиноподібно (стрибком) набуває значення –U_max (рис.7.5,б момент t₁ ). Оскільки на виході ОП відбулась зміна полярності напруги, то конденсатор С починає перезаряджатися по колу: спільна точка  С  R  вихід  + u_вих, а напруга u_R1 стає відносно спільної точки негативною, а u_вх.д змінює знак.

а

б

Рис.7.5

У міру перезарядження С напруга на ньому прямує від +U_max до –U_max, але у момент t₁ u_вх.д змінює свою полярність, що стрибком змінює полярність u_вих від –U_max до +U_max. Далі процес перекидання мультивібратора від +U_max до –U_max періодично повторюється. Тривалість імпульсів визначається з виразу:

τ₁ = τ₂ = τ = RС ln ,

де коефіцієнт позитивного ЗЗ β = R1 / (R1 + R2), а період коливань становить:

Т = 2τ = RС ln = 2 RС ln .

Схема лабораторного модуля

Для дослідження мультивібратора на біполярних транзисторах використовується модуль 8, принципова схема якого наведена на рис.7.6. Перемикачі SА1...SА3 служать для зміни режимів роботи мультивібратора, змінним резистором R4 регулюються параметри генерованих імпульсів (контрольні гнізда XS1...XS4).

Для дослідження мультивібратора на ОП використовується модуль18, принципова схема якого наведена на рис.7.7. Змінним резистором R4 регулюються параметри генерованих імпульсів (контрольні гнізда XS1, XS2).

Для дослідження генератора гармонічних коливань використовується модуль 19, принципова схема якого наведена на рис.7.8. Змінним спареним резистором R1 регулюються параметри генерованих коливань (контрольне гніздо XS1).

Усі спостереження та вимірювання в роботі здійснюються за допомогою осцилографа.

Рис.7.6

Рис.7.7

Рис.7.8