Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ЭЛЕКТРО / Изучение импульсных устройств.doc
Скачиваний:
40
Добавлен:
12.02.2015
Размер:
374.78 Кб
Скачать

Цель работы: экспериментальное исследование электрических характеристик и параметров импульсных устройств на операционном усилителе: компаратора, триггера Шмитта и генератора линейно изменяющегося напряжения.

Основные понятия

В импульсных устройствах используются режимы работы операционного усилителя (ОУ) в пределах участков передаточной характеристики, где он работает в нелинейном режиме. Коэффициент усиления ОУ при его работе в линейном режиме весьма высок. Поэтому этот режим быстро преодолевается при изменении входного напряжения, когда происходит изменение полярности выходного напряжения ОУ.

Данное свойство ОУ позволяет его использовать в составе устройства сравнения измеряемого напряжения с опорным. Такое устройство называется компаратором. Критерием сравнения двух уровней напряжения является полярность напряжения на выходе ОУ.

Рис.1

Простейшая схема компаратора на ОУ приведена на рис.1,а. Опорное напряжение, величина которого постоянна (положительной или отрицательной полярности), подается на один из входов ОУ, а измеряемое – на другой. Пусть измеряемое напряжение изменяется во времени. Тогда при достижении этим напряжением уровня опорного произойдет изменение полярности выходного напряжения. Например, опорное напряжение UОП положительной полярности подается на неинвертирующий вход ОУ, а измеряемое uвх – на инвертирующий вход, как показано на рис.1,а. Тогда при uвх < UОП на выходе ОУ напряжение будет положительным, а при uвх > UОП – отрицательным (см. рис.1,б). Видно, что изменение полярности выходного напряжения происходит тогда, когда входное напряжение проходит значение UОП. Это изменение происходит скачком с величины +Uвых max до -Uвых max. Если в схеме рис.1,а измеряемое напряжение подавать на неинвертирующий вход ОУ, а опорное – на инвертирующий, то при uвх < UОП на выходе напряжение будет отрицательным, а при uвх > UОП – положительным.

Наряду с простейшей схемой компаратора широко используется устройство на ОУ с положительной обратной связью, называемое триггером Шмитта. В схеме устройства, приведенной на рис.2,а, измеряемое напряжение подается на инвертирующий вход ОУ. Опорным в этой схеме является напряжение, подаваемое на неинвертирующий вход с выхода ОУ через делительную цепочку резисторов R1 и R2. Кроме того, в цепь неинвертирующего входа обычно вводится дополнительный источник напряжения U0.

Рис.2.

Величина опорного напряжения, подаваемого на неинвертирующий вход ОУ в схеме рис.2,а, может быть определена с использованием метода суперпозиции. Компонента этого напряжения, поступающая с выхода ОУ, определяется при условии, что напряжение дополнительного источника равно нулю (U0 = 0). Компонента напряжения, обусловленная источником U0, определяется при условии равенства нулю напряжения на выходе ОУ. Тогда величина опорного напряжения

UОП = uвых +U0 , (1)

где величина напряжения uвых при работе ОУ в нелинейном режиме может принимать только два значения: или +Uвых max или -Uвых max. При положительном напряжении на выходе ОУ согласно соотношению (1) на неинвертирующий вход подается напряжение

Uср = U0 +, (2)

которое называется напряжением срабатывания. При отрицательной полярности выходного напряжения ОУ на неинвертирующем входе напряжение равно

Uотп = U0 - , (3)

которое называется напряжением отпускания.

Передаточная характеристика триггера Шмитта со схемой рис.2,а представлена на рис.2,б. Ее ход может быть объяснен следующим образом. Пусть напряжение на выходе ОУ равно +Uвых max, а на его неинвертирующем входе напряжение, определяемое соотношением (2). Данные значения напряжений устанавливаются тогда, когда на инвертирующем входе ОУ напряжениеuвх<Uср. При увеличении этого напряжения положительное напряжениеUвых maxна выходе ОУ будет сохраняться до тех пор, пока напряжениеuвхне превысит напряжение срабатывания, после чего на выходе ОУ напряжение становится отрицательным и равным -Uвых max. Напряжение на неинвертирующем входе также скачком изменится и примет значение, определяемое соотношением (3). При обратном изменении входного напряжения (его уменьшении) на выходе ОУ напряжение будет оставаться отрицательным до тех пор, покаuвхстанет меньше напряжения отпускания. Только после этого выходное напряжение ОУ становится положительным, равным +Uвых max. Таким образом, передаточная характеристика триггера Шмитта имеет гистерезис, ширина которого при схеме рис.2,а равна

Uср - Uотп = Uвых max. (4)

Значения напряжений отпускания и срабатывания симметричны относительно величины U0

На рис.3,а приведена схема триггера Шмитта, в которой измеряемое напряжение подается на неинвертирующий вход ОУ, а опорное – на инвертирующий. Кроме измеряемого напряжения, на неинвертирующий вход подается напряжение по цепи положительной обратной связи с выхода ОУ. Величина суммарного напряжения, действующего на неинвертирующем входе ОУ в схеме 3,а по аналогии с соотношением (1) может быть определена как

uн вх=uвых +uвх . (5)

Очевидно, полярность напряжения на выходе ОУ определяется величиной напряжения на его неинвертирующем входе по сравнению с опорным U0. Еслиuн вх<U0, тоuвых= -Uвых max. Следовательно, отрицательное напряжение на выходе согласно соотношению (5) получается при

uвх<[(1 + )U0+ Uвых max]. (6)

Если uвх>U0, тоuвых= +Uвых max, т.е. на выходе ОУ напряжение будет положительным. В этом случае

uвх>[(1 + )U0- Uвых max]. (7)

Правая часть неравенства (6) больше правой части неравенства (7). Поэтому напряжение срабатывания определяется соотношением

Uср = (1 + ) U0+ Uвых max,(8)

а напряжение отпускания

Uотп = (1 + ) U0- Uвых max.(9)

Рис.3.

На рис.3,б приведена передаточная характеристика триггера Шмитта со схемой рис.3,а. Она имеет петлю гистерезиса, ширина которой равна

Uср -Uотп = 2Uвых max. (10)

Значения напряжений отпускания и срабатывания симметричны относительно величины (1 + )U0.

В электронной технике получили применение генераторы, вырабатывающие периодически повторяющиеся импульсы треугольной формы. К числу таких устройств относятся генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). В таких генераторах между соседними импульсами отсутствует пауза, а если эти импульсы имеют разную полярность, то их передние и задние фронты представляют собой прямую линию без излома в точке изменения полярности напряжения.

В генераторах линейно изменяющегося напряжения часто используется интегратор, на вход которого подаются импульсы прямоугольной формы. На рис.4 представлена схема инвертирующего интегратора на ОУ, отличающаяся от схемы инвертирующего усилителя тем, что резистор в цепи обратной связи заменен конденсатором. Для формирования линейно изменяющегося напряжения ОУ в составе интегратора должен работать в линейном режиме.

Рис.4.

ОУ характеризуется очень высоким значением входного сопротивления. Поэтому можно считать, что величины токов входной цепи интегратора и в цепи обратной связи одинаковы

iвх=iос. (11)

Ток в цепи обратной связи обусловлен зарядом конденсатора при подаче входного сигнала. С учетом высокого значения коэффициента усиления ОУ в линейном режиме можно считать, что напряжение между инвертирующим и неинвертирующим входами равно нулю. Тогда использование закона Ома позволяет соотношение (11) представить в виде

= -С .