ФУУМЭ / метода лабы

схемы и самих усилителей, а также нелинейность операционных усилителей, которая сказывается при прохождении через циркулятор сигналов, соизмеримых по величине с напряжениями источников питания.

Один из возможных вариантов применения циркулятора показан на рис. 3.4.

В данном случае циркулятор используется как активная схема для

Рис. 3.4

двухпроводного телефона. Схема состоит из трёхвходового циркулятора, ко всем входам которого подключены одинаковые нагрузки сопротивлением Rg . Сигнал, поступающий с микрофона, проходит на коммутатор и не попа-

дает в наушник. Идущий с коммутатора сигнал, в свою очередь, поступает в наушник и не попадает в микрофон. Переходное ослабление в основном зависит от того, насколько близки значения сопротивлений нагрузки, подключенных к входам циркулятора.

3.2. Описание исследуемого циркулятора

Электрическая принципиальная схема циркулятора приведена на рис. 3.5. Он построен на операционных усилителях К140УД9 (DA1 – DA3) с корректирующими конденсаторами для обеспечения устойчивой работы в заданном частотном диапазоне. В схеме используются одинаковые (за исключением переключаемых) сопротивления 1 кОм. Переключаемые с помощью K1 и K2 сопротивления используются для исследования влияния разброса их значений на параметры циркулятора.

3.3. Описание измерительной установки

Исследуемый циркулятор расположен в металлическом корпусе, на лицевой панели которого располагаются переключатели K1 и K2. Также на панели расположены входные клеммы звеньев циркулятора.

21

Рис. 3.5

Генератор звуковых частот G подключается к первому входу циркулятора. Напряжения U1, U 2 ,U3 последовательно измеряются вольтметром. Для развязки операционных усилителей используются блокировочные конденсаторы, подключённые к вывода 1 и 7.

3.4.Программа работы и порядок её выполнения

1.Уяснить цель и задачи работы.

2.Ознакомиться с основными теоретическими положениями и измерительной установкой.

3.Включить источники питания, звуковой генератор, вольтметр и осциллограф в соответствии с инструкциями по работе с этими приборами.

Подключить звуковой генератор к входу 1, а сопротивление Rg к входам 2 и 3.

4.Установить по заданию преподавателя необходимые значения напряжений источников питания операционных усилителей циркулятора.

5.Установить частоту звукового генератора, равной 1000 Гц. Снять амплитудные характеристики циркулятора. Изменяя выходное напряжение генера и поочерёдно подключая вольтметр ко входам циркулятора, замерить переменное напряжение на этих клеммах, т.е. напряжения U1, U 2 ,U3 . Повторить

измерения на других частотах.

22

6. Снять частотные характеристики циркулятора при разных уровнях входного сигнала, который подается на вход 1. На каждой частоте поочередно замерить напряжения на входах циркулятора.

7. На частоте 1000 Гц при уровне входного сигнала, соответствующем линейной части амплитудной характеристики, исследовать чувствительность параметров циркулятора к величине отклонения значений сопротивлений в его цепях. Для этого, изменяя сопротивление R1 помощью переключателя K1 в цепи обратной связи ОУ3 замерить напряжения на входах циркулятора U1, U 2 ,U3 . Повторить измерения при изменении сопротивления R2 во входной цепи ОУ3 (с помощью переключателяK2 ).

8.Рассчитать переходное ослабление и коэффициент направленности циркулятора.

9.Выключить приборы экспериментальной установки.

3.5. Содержание отчёта

Отчет должен содержать:

1.Схему экспериментальной установки.

2.Таблицы экспериментальных данных.

3.Графики амплитудных и частотных зависимостей напряжений на входах циркулятора.

4.Графики зависимостей переходного ослабления и коэффициента направленности от амплитуды и частоты входного сигнала.

5.Графики зависимостей напряжений на входах циркулятора от величин сопротивлений в цепи обратной связи и во входной цепи ОУ3 циркулятора.

6.Графики зависимостей параметров циркулятора (переходного ослабления и коэффициента направленности) от изменения сопротивлений циркулятора в соответствии с п.5.

7.Выводы по работе.

3.6.Контрольные вопросы

1.Объясните назначение циркуляторов в различных устройствах радиотехнической электроники.

2.Объясните принцип действия циркулятора на интегральных операционных усилителях.

3.Назовите основные параметры циркулятора и объясните, от чего они

зависят.

23

ления с управляемыми источниками тока представлена на рис. 4.1. Идеализированные уравнения равновесия токов и напряжений для этой схемы имеют следующий вид:

рассмотрении этой схемы предполагается, что операционный усилитель идеальный и обладает бесконечно большими коэффициентом усиления и входным сопротивлением. Поэтому напряжения на входах усилителя Vp и Vn равны и

при этом U1 = U 2 и входной ток равен нулю.

При этих предположениях выходное напряжение усилителя при подаче входного сигнала со стороны инвертирующего входа будет равно Va = U 2 + I2R , а при подаче сигнала со стороны не инвертирующего входа определяется как

I1 = (U 2 - Va ) / R = (U 2 - U 2 - I2R) / R = -I2 , что и требовалось доказать.

При выводе последних соотношений было сделано еще одно предположение, что схема находится в устойчивом состоянии. В действительности операционный усилитель охвачен одновременно положительной и отрицательной обратными связями, поэтому следует принять меры, чтобы действие отрицательной связи было бы сильнее действия положительное обратной связи.

Для выполнения этого условия следует рассчитать, какая часть выходного напряжения поступает на каждый из входов операционного усилителя. Это выполняется при условии, что R1 < R2 .

Вновь обратимся к схеме преобразователя (рис. 4.2). Пусть на вход этой

25

схему подаётся положительное напряжение U1 , но U1 = U 2 и из первого уравнения системы (4.1) следует, что ток I2 будет положительным. Из второго

уравнения следует, что I1 = −I2 = −U2 . Следовательно, входное сопротивление

R2

схемы – отрицательное и равно U1 = −R2 .

I1

Уравнение идеального гиратора имеет вид

Отсюда следует, что ток одной стороны гиратора пропорционален напряжению на другой стороне гиратора. Гиратор может быть создан с помощью двух управляемых напряжением источников тока. Символическое изображение гиратора и его эквивалентная схема представлены на рис.4.3 и рис. 4.4 соответственно.

Гиратор может быть реализован с помощью двух преобразователей отри-

Рис. 4.3 Рис. 4.4

цательного сопротивления (рис. 4.5) на двух операционных усилителях. Схема гиратора состоит из цепочки последовательно соединённых комплексных сопротивлений Z1…Z5, к которым подключены входы и выходу двух операционных усилителей.

Поскольку инвертирующие входы ОУ1 и ОУ2 соединены между собой, то из-за равенства Vp и Vn

напряжения на всех входах будут Рис. 4.5 равны входному U1. Таким образом, в этой схеме выполняется основное

свойство гиратора – ток с одной стороны гиратора пропорционален напряжению с его другой стороны и наоборот.

26

Отличительной особенностью данной схемы является наличие глубокой отрицательной обратной связи, которая создаётся за счёт того, что выходы ОУ1 и ОУ2 подключаются к соответствующим «нулевым» точкам этих усилителей. Это обеспечивает высокую устойчивость работы гиратора.

Используя уравнения равновесия в узлах, соответствующих входам ОУ1 и ОУ2, можно получить выражение для входного сопротивления гиратора

Zвх = Z1Z3Z5 . Z2Z4

Обычно в качестве Z4 используют реактивное сопротивление конденсатора Z4 = − j / (ωC4 ) , а остальные полные сопротивления заменяются резисторами R1, R2, R3, и R5. При этом входное сопротивление оказывается равным индуктивному по характеру сопротивлению

Если подключить параллельно этой индуктивности конденсатор C1, то получится параллельный контур с высокой добротностью и резонансной частотой

f0 = 2π 1L1C1 .

Схема параллельного колебательного контура, построенного с применением гиратора, приведена на рис. 4.6. В ней L1 определяет вносимую индуктивность гиратора, Rg2 / Rv – потери в гираторе. Эта упрощённая схема получена

при условии, что входные сопротивления плеч гиратора Rv достаточно близки. Теперь можно получить выражение для добротности гиратора

Q0 = Rv / 2Rg ,

что справедливо лишь для низких частот. С ростом частоты на значении доб-

(φ1) и током I2 и напряжением U1 (φ2). В этом случае можно получить приближённое значение добротности

27

Отсюда следует, что при запаздывании по фазе добротность увеличивается с возрастанием частоты и, когда φ1+φ2 < 0, схема становится неустойчивой и начинает генерировать колебания.

4.2. Описание исследуемого гиратора

Электрическая схема исследуемого гиратора приведена на рис. 4.7.

Рис. 4.7

Гиратор собран на операционных усилителях К140УД9, к входам которых подключены сопротивления 4,7 кОм, набор конденсаторов с переключателем K1 и набор сопротивлений с переключателем K2. Выходы ОУ подсоединены к «нулевым» точкам входов ОУ, что обеспечивает глубокую отрицательную обратную связь для обеспечения устойчивой работы гиратора.

Дополнительная коррекция частотной характеристики ОУ создаётся с по-

28

мощью конденсаторов, подключённых к выводам 8 и 11. Для развязки по цепям питания служат блокировочные конденсаторы.

Изменяя переключателем K1 значение ёмкости конденсатора в плече гиратора, можно получить необходимую эквивалентную индуктивность. При изменении переключателем K2 сопротивления R5 изменяется не только резонансная частота, но и добротность контура с гиратором.

4.3. Описание измерительной установки

Схема установки (см. рис. 4.7), помимо гиратора, содержит генератор низкой частоты G со встроенным вольтметром и вольтметр для измерения напряжения в схеме. Переключатель K3 в верхнем положении «индуктивность» обеспечивает возможность измерения индуктивности гиратора, выполняющего роль нижнего плеча частотно-зависимого делителя напряжения с R1 в качестве верхнего плеча и исследования гиратора в качестве элемента параллельного колебательного контура (нижнее по схеме положение переключателя K3 «контур»).

По результатам измерения выходного напряжения U делителя в положении K3 «индуктивность» и напряжения на выходе генератора низкой частоты U вх. , определив величину падения напряжения на сопротивлении R1

VR = Uвх2 . −Uвых2 . , можно вычислить значение тока входного Iвх. , а затем по индуктивному сопротивлению и значение индуктивности гиратора

где f – частота сигнала.

В положении «контур» параллельно гиратору подключён конденсатор, а последовательно – сопротивление величиной 120 кОм. На резонансной частоте

Q = f0 , f

29

где f0 – резонансная частота. Следует отметить, что при большом эквивалентном сопротивлении контура, соизмеримом с входным сопротивленим ОУ возрастает погрешность определения индуктивности по формуле (4.2), что приводит к отклонению экспериментально найденных значений L1 и f0 от расчётных.

4.4.Программа работы и указания по её выполнению

1.Уяснить цель и задачи данной работы.

2.Ознакомиться с основными теоретическими положениями и измерительной установкой.

3.Используя данные исследуемого гиратора, по формулам, приведённым в описании, определить вносимую гиратором индуктивность L1 и резонансную

частоту f0 для различных ёмкостей.

4.Включить приборы экспериментальной установки. Установить переключатели K1 и K2 в положение 1, K3 – в положение «индуктивность». Установить входное напряжение равным 1,5 В. Изменяя частоту генератора в пределах 40…20 000 Гц, измерить зависимость выходного напряжения.

5.На частоте 400 Гц снять амплитудные характеристики цепи, изменяя напряжение от 0 до 5 В.

6.Установить переключатель K3 в положение «контур». Снять резонансные кривые при различных уровнях входного сигнала (1; 1,5; 2 В).

7.Повторить измерения по п.6 при других значениях ёмкостей конденсатора C4, изменяя их с помощью переключателя K1.

8.Снять резонансные кривые колебательного контура при других значениях сопротивления R5, изменяя их с помощью переключателя K2.

4.5. Содержание отчёта

Отчет должен содержать:

1.Схему гиратора и электрическую схему экспериментальной установки.

2.Таблицы и построенные по ним графики экспериментальных зависимостей параметров гиратора L1, RЭ и Q , определенных по резонансным кривым

выходного напряжения и известным величинам элементов гиратора.

3.Сопоставление расчетных и экспериментальных параметров L1 и f0 .

4.Выводы по работе.

30