LS-Sb88871

лу LTд f (усилитель DА1 исключен, C4 , C5 ); характеристика 3 –

результирующая ЛАЧХ петлевого усиления всего усилителя LT ( f ) (уси-

литель устойчив). Характеристики 1, 2, 3 построены в соответствии с соот-

ношениями:

Из рассмотрения результирующей ЛАЧХ 3 (рис. 1.4, б) очевидно, что

усилитель (рис. 1.4, а) устойчив, поскольку наклон ЛАЧХ в районе частоты среза fср2 не превышает –20 дБ/дек.; при этом получаем fср2 >> fср1 . Таким

образом, введение высокочастотного параллельного канала, огибающего низкочастотные входные каскады, позволяет не только обеспечить устойчивость усилителя, но и значительно увеличить его частоту среза, т. е., наиболее успешно решить задачу построения широкополосного устойчивого усилителя.

1.6.Экспериментальная часть

1.Проведем измерение частотных характеристик подсхем DА1 LU1 f и

DА2 LU2 f и всего нескорректированного усилителя LU3 f (рис. 1.1, а, б)

с использованием функционального генератора (ФГ) и анализатора Боде (АБ). ФГ подключается к входу 1 усилителя через разделительный конденсатор. Выберем функцию Bode Analyzer из меню запуска инструментов NI ELVIS. На лицевой панели АБ установим следующие значения параметров: Start – 5 Гц; Stop – 35 кГц; Steps – 10; Peak Amplitude – 0,01 В. Нажмем кноп-

ку Run и будем наблюдать за частотными характеристиками усилителя. Убедимся в том, что результаты исследования соответствуют рис. 1.1, б.

2. По результатам измерений проводим аппроксимацию эксперимен-

11

данной частоты среза ЛАЧХ скорректированного усилителя ( fср2 = 1 кГц,

Rвых1 Rвх2 10 кОм). Строим ЛАЧХ LT (f ), соответствующие четырем

рассматриваемым способам обеспечения устойчивости усилителя (см. рис. 1.2, б; 1.3, б; 1.4, б). При построении характеристик 1 и 2 (см. рис. 1.2, б) необходимо задаться следующими параметрами: 1) R2 R3= 2 кОм; 2) R2 =

=2 кОм, R3 = 60 кОм.

4.Собираем схему усилителя (см. рис. 1.2, а; R2 R3 = 2 кОм), подклю-

чаем к его выходу осциллограф (ОСЦ). В меню запуска инструментов NI ELVIS выбираем функцию Oscilloscope. В качестве источника для канала А на лицевой панели осциллографа установим [BNC/Board CH A]; в качестве источника триггерного сигнала выберем СН А. Запускаем ОСЦ в непрерывном режиме и наблюдаем за выходным напряжением усилителя. Убеждаемся в его неустойчивости (на выходе неустойчивого усилителя наблюдаются незатухающие колебания).

Уменьшаем глубину обратной связи усилителя (R2 = 2 кОм, R3 = 60 кОм),

с помощью ОСЦ убеждаемся в его устойчивости (на выходе нет незатухающих колебаний). Подаем на вход 2 усилителя сигнал с выхода ФГ (прямоугольные импульсы). С использованием ОСЦ снимаем осциллограммы переходного процесса на выходе усилителя. Поскольку источником входного сигнала является ФГ, в качестве источника триггерного сигнала выбираем

SYNC_OUT.

5.Собираем схему усилителя с цепью частотно-зависимого делителя (см. рис. 1.3, а), проверяем его устойчивость. Снимаем осциллограммы переходного процесса, подавая на вход 2 усилителя сигнал с выхода ФГ. Аналогичные эксперименты проводим для усилителя с цепью частотно-зависимой ООС (см. рис. 1.3, в) и усилителя с высокочастотным параллельным каналом усиления (см. рис. 1.4, а).

6.Из рассмотрения осциллограмм переходных процессов, снятых при выполнении пп. 4, 5, сделаем вывод о том, какой из четырех усилителей с общей ООС имеет наименьший запас устойчивости.

1.7. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

– на этапе подготовки: цель работы; основные схемы и расчетные соотношения, характеризующие основные способы обеспечения устойчивости усилителей с общей ООС.

12

– после выполнения работы: результаты экспериментальных исследова-

ний устойчивости усилительных устройств; выводы по работе.

1.8.Контрольные вопросы

1.Как формулируется критерий устойчивости Найквиста в терминах ЛАЧХ для усилителей с общей ООС?

2.Введение в разомкнутый усилитель (рис. 1.1, а) общей ООС создает проблему устойчивости или ее решает?

3.В какое устройство может превратиться неустойчивый усилитель?

4.Какие существуют способы обеспечения устойчивости усилительных устройств?

5.Какой способ обеспечения устойчивости позволяет улучшить частотные свойства усилителя?

6.Какими недостатками обладает способ обеспечения устойчивости уменьшением глубины ООС усилителя?

7.Дайте сравнительную характеристику способам обеспечения устойчивости усилителя путем введения частотно-зависимого делителя и путем ис-

пользования в усилителе цепи частотно-зависимой ООС.

8.Как изменится качество переходного процесса на выходе усилителя при уменьшении запаса его устойчивости?

9.В чем состоит основное отличие усилителя от генератора?

Лабораторная работа 2

RC-ГЕНЕРАТОРЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Цель работы заключается в ознакомлении с принципами построения RC-

генераторов на операционных усилителях (ОУ) и простейшими способами стабилизации амплитуды генерируемых сигналов на базе учебной лабора-

торной станции виртуальных приборов NI ELVIS.

2.1. Общие сведения

Под генератором понимается электронная цепь, формирующая перемен-

ное напряжение требуемой формы. В генераторах происходит преобразование энергии постоянного тока, потребляемой от источника постоянного на-

пряжения, в энергию колебаний. Основное отличие генератора от усилителя состоит в том, что генератор – это автоколебательная, т. е. неустойчивая сис-

13

тема, а усилитель должен быть всегда устойчив. Генератор может работать при отсутствии внешнего входного воздействия, для усилителя оно совершенно необходимо.

Рассмотрим условия существования незатухающих колебаний в электронных цепях. На рис. 2.1 приведена широко распространённая структурная схема генератора с параллельно-параллельной обратной связью, где У – уси-

литель, ОС – цепь обратной связи, RН – цепь нагрузки. Эти подсхемы харак-

теризуются следующими параметрами:

.

где T( 0) – петлевое усиление на частоте генерации. Условие (2.3) разделя-

ется на 2 условия:

Соотношение (2.4) характеризует условие баланса амплитуд: на частоте генерации 0модуль петлевого усиления системы равен 1. Это условие мож-

14

но сформировать следующим образом: на частоте генерации 0модуль ко-

эффициента усиления усилителя равен ослаблению, вносимому цепью об-

ратной связи. Выражение (2.5) характеризует условие баланса фаз: на частоте генерации 0фазовый сдвиг по контуру обратной связи составляет 2 n.

Следует подчеркнуть, что условия (2.4) и (2.5) должны выполняться абсо-

лютно точно, так как если петлевое усиление на частоте генерации меньше 1, то уже возникшие колебания будут затухающими, больше 1 – расходящимися.

2.2. RC-генераторы с мостом Вина

При построении RC-генераторов широко используется избирательная цепь, схема которой представлена на рис. 2.2, а (мост Вина). Если выполня-

ется условие: R1 R2 R и C1 C2 C, то коэффициент передачи напряже-

ния моста Вина может быть определен по формуле

На рис. 2.2, б представлены амплитудно-частотная характеристика Kобр( ) и фазо-частотная характеристика обр( ), соответствующие выра-

жению (2.6). Из этих характеристик и соотношения (2.6) очевидно, что на частоте 0 коэффициент передачи моста Вина имеет максимальное значение, а

его фазовый сдвиг равен 0.

15

Ground

Рис. 2.3

На рис. 2.3 представлена принципиальная схема генератора с мостом Вина (R1; C1; R2; C2), реализованная на базе неинвертирующего РУ (DA1;

R3; R4); ОСЦ – осциллограф. Для выполнения в этом генераторе условия баланса амплитуд необходимо, чтобы выполнялось соотношение

R4 2R3 (см. рис. 2.4, кривая 1). Это необходимо для самовозбуждения ге-

нератора. Причём, как было отмечено ранее, колебания будут расходящимися, и ограничение амплитуды сигнала произойдёт при достижении макси-

мального выходного напряжения ОУ U2m. В этом случае благодаря нели-

нейности проходной характеристики ОУ будет автоматически устанавли-

16

ваться эффективное значение KUНИ Э 3 (рис. 2.4, кривая 2, рабочая точка А).

Однако такой естественный способ стабилизации амплитуды сигнала из-за резких изломов проходной характеристики ОУ связан с существенными не-

линейными искажениями.

2.3. RC-генераторы с цепью нелинейной обратной связи

Одним из простейших способов стабилизации амплитуды выходного напряжения RC-генератора при минимальных нелинейных искажениях является введение в него цепи нелинейной обратной связи (НОС). Схема такого генератора представлена на рис. 2.5, (DA1, R1, C1, R2, C2, R4, R3 – генератор с мостом Вина; R5, R6, VD1, VD2 – цепь НОС на диодах). Рассмотрим работу этого генератора. При малых уровнях выходного напряжения диоды VD1, VD2 практически полностью обесточены, поскольку их рабочие точки нахо-

дятся в зоне нечувствительности вольтамперной характеристики диода. Со-

противления резисторов R3, R4, R6 выбираются таким образом, чтобы вы-

полнялось неравенство

При выполнении условия (2.10) в генераторе возникают колебания с

увеличивающейся амплитудой (расходящийся процесс). Когда она достигнет значений 0,5…1 В, диоды VD1, VD2 открываются и включается цепь НОС,

которая с ростом амплитуды выходного напряжения генератора уменьшает эффективный коэффициент усиления усилителя до значения KUНИ Э 3, что

обеспечивает выполнение условия баланса амплитуд (2.8).

При выборе сопротивлений резисторов R3, R4, R5, R6 следует руково-

при этом можно показать, что амплитуда U2m и частота ω0 установившихся колебаний для генератора (рис. 2.5) определяются соотношениями:

где Uд – напряжение на открытом диоде. Нужно отметить, что амплитуда

U2m может сильно изменяться в зависимости от разброса сопротивления R3,

идля ее фиксации иногда целесообразно вводить переменный резистор R3.

17

Рис. 2.5

Следует подчеркнуть, что условие баланса амплитуд выполняется толь-

ко для выходного сигнала с амплитудой U2m, поскольку ее дальнейшее уве-

личение приводит к уменьшению эффективного коэффициента усиления усилителя (KUНИ Э < 3). Генератор с цепью НОС (рис. 2.5) имеет значитель-

но меньшие нелинейные искажения выходного напряжения по сравнению с генератором (см. рис. 2.3), поскольку в нем ОУ работает в линейном режиме.

2.4.Экспериментальная часть

1.Проведем исследование работы RC-генератора с мостом Вина с исполь-

зованием осциллографа ОСЦ (рис. 5.3 – R1 = R2 = 10 кОм; R3 = 100 кОм;

R4 = 220 кОм; C1 = C2 = 0,01 мкФ). В меню запуска инструментов NI ELVIS

выберем функцию Oscilloscope (осциллограф). В качестве источника для канала А на лицевой панели осциллографа установим [BNC/Board CH A]; в качестве источника триггерного сигнала выберем СН А. Запустим ОСЦ в непрерывном режиме и понаблюдаем за выходным напряжением генератора. Выясним, чем ограничивается амплитуда выходного напряжения в генераторе и почему по форме это напряжение не является синусоидальным. Определяем частоту f0

колебаний в генераторе и сравниваем ее с расчетным значением (2.6).

Вводим в схему (см. рис. 2.3) изменение (R4 = 110 кОм) и повторяем эксперимент. Объясним, почему в этом случае на выходе генератора колебания отсутствуют.

18

2. Исследуем работу генератора с цепью НОС аналогично предыдущему эксперименту (см. рис.2.5, R1 = R2 = 10 кОм; R3 = 100 кОм; R4 = 220 кОм;

C1 = C2 = 0,01 мкФ; R5 = 2,2 кОм; R6 = 100 Ом). Почему в этом случае в ге-

нераторе практически отсутствуют нелинейные искажения выходного сигнала и его форма близка к синусоидальной. Определяем частоту и амплитуду колебаний в генераторе и сравниваем их с расчетными значениями (2.12) при

Uд 0,8 В.

2.5. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

–на этапе подготовки: цель работы; основные схемы и расчетные соотношения, характеризующие условия существования незатухающих колебаний в электронных цепях и основные характеристики RC-генераторов.

–после выполнения работы: результаты измерения основных параметров RC-генераторов (экспериментальная часть); выводы по работе.

2.6.Контрольные вопросы

1.Чем отличается генератор от усилителя?

2.От какого устройства генератор потребляет энергию и куда отдает?

3.Как формулируется условие баланса амплитуд?

4.Как формулируется условие баланса фаз?

5.При каких условиях колебания в генераторе будут затухающими, расходящимися?

6.Каким образом в генераторе с мостом Вина выполняется условие баланса амплитуд?

7.Почему в генераторе с мостом Вина используется неинвертирующий РУ? Как в этом случае выполняется условие баланса фаз?

8.Чем ограничивается амплитуда выходного напряжения в генераторе

(см. рис. 2.3)?

9.В чем состоит недостаток естественного способа стабилизации амплитуды выходного напряжения в генераторе (см. рис. 2.3)?

10.Как работает генератор с НОС (см. рис. 2.5)?

11.Почему генератор с НОС (см. рис. 2.5) имеет минимальные искаже-

ния выходного напряжения?

19

Лабораторная работа 3

ТРИГГЕРЫ ШМИТТА, АНАЛОГОВЫЕ КОМПАРАТОРЫ И МУЛЬТИВИБРАТОРЫ

Цель работы состоит в ознакомлении с принципами построения триггеров Шмитта, аналоговых компараторов и мультивибраторов, реализуемых на операционных усилителях (ОУ), и в экспериментальном исследовании их основных технических характеристик с использованием системы NI ELVIS.

3.1.Триггеры Шмитта

3.1.1.Общая часть

Схема триггера Шмитта приведена на рис. 3.1 (РИП – регулируемый источник питания, ЦМ – цифровой мультиметр). Он представляет собой опера-

ционный усилитель с цепью положительной обратной связи R1, R2. Триггер Шмитта имеет гистерезисную характеристику передачи (рис. 3.2, кривая 1) и

может находиться в двух устойчивых состояниях, соответствующих макси-

мальному Umax и минимальному Umin напряжениям на выходе ОУ.

Рассмотрим работу триггера Шмитта, полагая, что ОУ близок к идеаль-

ному. Пусть в начальный момент он находится в состоянии с уровнем вы-

ходного напряжения Umax (рис. 3.2, кривая 1, точка A, Uвх < 0). В этом слу-

чае напряжения UR1 и Uд положительны, что и поддерживает триггер в дан-

ном состоянии.

UR1 KобрUmax 0, Uд UR1 Uвх 0, (3.1)

где Kобр R1 /(R1 R2) – коэффициент цепи обратной связи. Если теперь напряжение Uвх , возрастая, превысит напряжение UR1 (3.1), то напряжение

Uд станет отрицательным, при этом триггер Шмитта перейдет в состояние

суровнем выходного напряжения Umin (рис. 3.2, кривая 1, точка В)

Если теперь начать уменьшать напряжение Uвх , то, когда оно станет меньше напряжения UR1 (3.2), напряжение Uд снова станет положительным

и триггер Шмитта вернется в исходное состояние (см. рис. 3.2, характеристика 1, точка А).

20