ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

Волгоградский государственный технический университет

Кафедра автоматизации производственных процессов

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

Методические указания

по проведению лабораторных работ

для студентов с сокращенной программой подготовки

РПК «Политехник»

Волгоград 2005

УДК 621.038

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ: Методические указания по проведению лабораторных работ для студентов с сокращенной программой подготовки специальности 2102 / Составители Р.Н.Кулагин, Н.В. Казаков – Волгоград: ВолгГТУ, 2005 - 50 с.

Методические указания содержат краткие теоретические сведения по принципу действия и основным параметрам типовых функциональных электронных устройств, широко применяемых в системах автоматизации. Приводится методика экспериментальных исследований этих устройств и контрольные вопросы для проверки степени усвоения изученного материала.

Рецензент: Ковынев Е.Н.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета

Волгоградский

государственный

технический

университет 2005

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Лабораторные работы выполняются на универсальном стенде, обеспечивающем проведение 6 лабораторных работ по основным разделам теоретического курса «Технические средства автоматизации».

На лицевой панели стенда смонтированы три вертикальные панели. Две крайние панели содержат исследуемые схемы с соответст­вующими номерами, а средняя панель представляет собой блок пита­ния, в котором предусмотрены три регулируемых источника напряже­ний:

1) постоянного напряжения +U₁ = 05 В (выключатель S1, ре­гулятор уровня R1, гнездо X1);

2) постоянного напряжения разного знака U2 = 0  8 В (переключатель S2, регулятор R2, гнездо Х2);

3) переменного напряжения звуковой частоты  U3 = 0  0,1 В (переключатель частоты S3, регулятор RЗ, гнездо X3).

В верхней части панели установлен общий сетевой выключатель "сеть", сигнальная лампа "Вкл" и предохранитель.

Схемы для проведения исследований собирается с помощью гнезд и перемычек в соответствии с принципиальной схемой электронного устройства.

Все три источника напряжения соединены между собой и исследуемыми схемами общим (нулевым) проводом, который выведен также на латунные гнезда средней панели.

Лабораторная работа №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ ОУ

1.Цель работы

Изучить свойства генераторов периодических сигналов синусоидальной и прямоугольной формы. Определить теоретическое и экспериментальное значение значения частоты генераторов.

2. Основные теоретические положения

2.1. Существуют две разновидности генераторов периодических сигналов (по принципу действия):

1. Релаксационные,

2. Автоколебательные.

Релаксационные генераторы работают на основе заряда и разряда конденсатора через нелинейный элемент. В результате возникают параметрические колебания напряжения. Форма колебаний несинусоидальная.

Автоколебательные генераторы работают на основе самовозбуждения при наличии цепи положительной обратной связи (ПОС). Форма колебаний синусоидальная или прямоугольная.

2. Генератор синусоидальных колебаний

Рисунок 2.1.

Генератор имеет частотно-зависимую цепь ПОС (R1-C1-R2-C2), сигнал которой подается на неинвертирующий вход ОУ. Эта цепь определяет частоту выходного сигнала U_вых. Цепь отрицательной обратной связи (ООС) (R4-R5-R6 или R4-R7) обеспечивает синусоидальную форму выходного сигнала U_вых и стабилизирует его амплитуду.

В качестве цепи ПОС используется П-образная, Г-образная RC-цепь и мост Вина.

Условие самовозбуждения генератора.

В общем случае коэффициент передачи схемы генератора определяется:

, (2.1)

где k₀ – коэффициент усиления прямой цепи (собственный коэффициент ОУ),

k_ОС - коэффициент передачи цепи ОС (+ для ООС, - для ПОС).

Для возникновения автоколебаний необходимо, чтобы петлевой коэффициент усиления k₀ k_ОС  1, а фазовый сдвиг  между входом и выходом отсутствовал:

1. k₀ k_ОС  1 – баланс амплитуд,

2.  = 2k, k = 0,1,2,3…n – баланс фаз.

В используемой схеме мост Вина имеет нижеуказанные частотные характеристики.

Рисунок 2.2.

На определенной (квазирезонансной) частоте f_M мост Вина имеет максимальный коэффициент передачи k_M = 1/3 и нулевой фазовый сдвиг _M = 0.

С понижением частоты f увеличивается сопротивление X_C2 конденсатора C2 и коэффициент передачи падает.

С повышением частоты проявляется влияние конденсатора С1, так как сопротивление X_C1 уменьшается и шунтирует R1.

Обычно R1 = R2 = R; C1 = C2 = C, тогда

. (2.2)

Для выполнения условия k₀ k_ОС  1 необходимо обеспечить усиление сигнала по положительному входу с коэффициентом k_U+  3, чтобы компенсировать k_M = 1/3.

Так как для неинвертирующего масштабного усилителя:

, (R3 = R5+R6 или R3 = R7)

то получим условия для определения сопротивления в цепи ООС:

1 ) ; R3 = 2R4

(2.3)

2) (для ОУ на БТ).

Для регулировки частоты выходного сигнала генератора используют сдвоенный переменный резистор в цепи ПОС (рисунок 2.3.).

Рисунок 2.3.

Диапазон плавного регулирования частоты определяется соотношением:

. (2.4)

Для расширения диапазона регулирования частоты применяют многодиапазонное переключение конденсаторов C1 и C2.

При регулировке частоты амплитуда U_вых не остается постоянной. Для ее стабилизации и получения синусоидальной формы используется нелинейная цепь ООС. Например, в качестве R7 используется вакуумированный термистор с отрицательным ТКС.

При увеличении U_вых растет ток через термистор R7 и увеличивается его температура, а сопротивление R4 при этом уменьшается. Тем самым увеличивается глубина ООС и напряжение U_вых уменьшается до исходного с заданной степенью точности.