ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №11. ГЕНЕРАТОРЫ СИГНАЛОВ: ЗАДАНИЕ

5. Соберите схему генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН),

показанную на рис. 2. Значения сопротивления резистора RИ и емкости конденсатора CИ, входящих в схему интегратора на ОУ DA2, возьмите из табл. 1. Транзистор VT1 и его обвязку из резисторов, а также светодиод DL сразу подключать нет необходимости.

6.Измерьте частоту и двойной размах пилообразного напряжения на выходе схемы UГЛИН, подключив канал №1 осциллографа к выходу схемы.

7.Сфотографируйте осциллограмму выходного сигнала.

8.Установите выходную частоту схемы порядка 1 Гц, включив в схему интегратора RИ = 470 кОм, CИ = 1 мкФ. Подключите к выходу схемы эмиттерный повторитель на n-p-n транзисторе VT1 со светодиодом DL в качестве нагрузки. Данная схема является примитивным повторителем напряжения с большой нагрузочной способностью, т.к. напряжение на эмиттере транзистора в активном режиме при таком подключении следует за напряжением на базе, оказываясь примерно на 0.65В ниже. Резистор RБ может вовсе отсутствовать (здесь он имеет смысл защиты от ошибок в сборке), а практически весь ток нагрузки в эмиттерной цепи протекает через коллектор. Понаблюдайте за плавным изменением яркости светодиода.

9. Соберите схему автогенератора на ОУ с полосно-пропускающим фильтром Вина (рис. 3). Номиналы конденсаторов С и резисторов R, входящих в состав фильтра, возьмите из табл. 2.

Рис. 3. Автогенератор с фильтром Вина Табл. 2. Компоненты фильтра Вина в схеме автогенератора

10.Подключите осциллограф к выходу схемы UВЫХ. Регулируя сопротивление переменного резистора R1, добейтесь возникновения генерации выходного сигнала неискаженной синусоидальной формы.

11.Сфотографируйте осциллограмму выходного сигнала, измерьте частоту и амплитуду этого сигнала.

12.Отключите питание схемы, отсоедините от схемы переменный резистор R1, не меняя положения его ручки и не отсоединяя провод от скользящего контакта (скользящий контакт должен оставаться замкнутым на один из крайних выводов резистора).

13.Включите мультиметр в режим измерения сопротивлений («Ω») и измерьте сопротивление между верхним и нижним выводами переменного резистора R1, получившееся в результате настройки схемы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №11. ГЕНЕРАТОРЫ СИГНАЛОВ: ШАБЛОН ОТЧЕТА

Составьте отчет по лабораторной работе, включив в него перечисленное

вшаблоне ниже.

1.Мультивибратор на компараторе с гистерезисом

Зная значения +UП = +12 В и –UП = –12 В (то есть, 2 UП = 24 В), рассчитайте и постройте экспериментальную и теоретическую зависимости выходной частоты f мультивибратора от ширины петли гистерезиса UГ (табл. 1).

Табл. 1. Результаты исследования параметров мультивибратора

Пример расчета:

И = ∙ (2П+ Г) =______,

2П−Г

fтеор = 1 / T = 1 / (2 tИ) = ___________.

Рис. 1. Осциллограмма работы мультивибратора

2.Генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН)

Всхеме интегратора использовались компоненты с номиналами CИ = ___; RИ = ____. Теоретические частота и двойной размах пилообразного напряжения на выходе схемы:

= 4 1 = __________ ,

2

f = 1 / T = __________ .

Рис. 2. Осциллограмма работы ГЛИН

3.Автогенератор на ОУ

Всхеме фильтра Вина использовались компоненты с номиналами C = ___; R = ____. Теоретическое значение выходной частоты совпадает / не совпадает с центральной

частотой фильтра:

0 = 2 1 = _______ .

Сравните рассчитанное значение частоты с экспериментально измеренным.

Коэффициент усиления схемы:

В расчете используйте измеренное значение сопротивления переменного резистора R1.

KУС = 1 + R2/R1 = 1 + (10 кОм / _____ кОм) = ________ .

Сравните KУС теоретическим значением, равным 3.

Рис. 3. Осциллограмма работы автогенератора на ОУ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №12. АНАЛОГОВЫЙ ШИРОТНОИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР: ОПИСАНИЕ

Цели работы – получить навыки сборки и исследовать схему аналогового широтноимпульсного модулятора (ШИМ). Для упрощения сборки в качестве источника линейно изменяющегося напряжения используется лабораторный генератор.

Широтно-импульсная модуляция – способ обратимого преобразования сигналов, где уровень исходного сигнала кодируется в виде коэффициента заполнения меандра (сигнала, представляющего собой прямоугольные импульсы), т.е. в виде отношения длительности импульса к периоду. Чем выше уровень исходного сигнала (тока или напряжения), тем больше длительность импульса. Базовый способ подвергнуть некоторый сигнал широтно-импульсной модуляции – сравнить его с пилообразно изменяющимся опорным сигналом при помощи устройства сравнения. Для напряжений таким устройством является аналоговый компаратор. Принцип действия ШИМ-модулятора иллюстрируется на рис. 1.

Рис. 1. Принцип действия ШИМ-модулятора

Как видно, в начале каждого периода опорного напряжения UОП его значение минимально. Любое входное напряжение UВХ, отличное от минимального, будучи сравненным с опорным, создаст высокий уровень выходного напряжения UВЫХ. Далее опорное напряжение UОП увеличивается по линейному закону и в определенный момент превышает входное. Как только это случается, уровень выходного напряжения компаратора становится низким. Чем больше текущая величина входного напряжения, тем позже это случится, и тем больше будет длительность импульса на выходе.

Исходя из элементарных соображений подобия треугольников в геометрии, нетрудно заключить, что при линейном росте опорного напряжения справедливо соотношение для коэффициента заполнения выходного сигнала:

где tИ – длительность импульса на выходе модулятора (время, в течение которого напряжение является высоким, например, равно +UП), T – период пилообразного напряжения на выходе

генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), и – пределы изменения

ОП ОП

величины опорного напряжения.

Частоту f = 1 / T также часто называют несущей частотой модулятора.

Обычно в практических схемах и равны или приблизительно равны +UП и –UП

ОП ОП

соответственно, этим же величинам равны высокий и низкий уровни выходного напряжения, в этих же пределах допустимо иметь величину входного напряжения UВХ.

Если подать ШИМ-сигнал на простейший ФНЧ первого порядка с постоянной времени0.7RC, существенно превышающей период изменения опорного напряжения, на выходе

получим исходный входной сигнал UВХ с некоторой ненулевой амплитудой пульсаций. Для глубокого подавления пульсаций можно применить активные фильтры на ОУ. Такой принцип может быть использован для передачи аналоговых сигналов на большие расстояния без существенного риска повреждения из-за помех. В этом случае перед фильтром, восстанавливающим исходный сигнал UВХ, устанавливают триггер Шмитта (аналоговый компаратор с небольшим гистерезисом).

Однако существенно чаще ШИМ-модуляторы применяются в силовой электронике. Для того чтобы плавно менять мощность, поступающую на нагрузку – электропривод, нагревательный прибор, осветительный прибор, можно поступить двумя способами.

Самый простой способ – установить последовательно нагрузке переменное сопротивление. Его уменьшение приведет к росту мощности, выделяемой на нагрузке, а увеличение – к ее снижению. В линейных усилительных схемах и источниках питания роль такого «балласта» играют мощные транзисторы, которые непрерывным образом меняют свое динамическое сопротивление под управлением ОУ. Если при напряжении питания UП на нагрузке падает напряжение UН, то разница напряжений (UП – UН) падает на управляющем элементе (например, транзисторе), который выделяет в виде тепла мощность, равную (UП – UН) IН. Это приводит к снижению КПД схемы и зависимости КПД от соотношения напряжения питания и текущего напряжения на нагрузке.

Такого недостатка лишена схема с ШИМ. В течение времени tИ, т.е. при выдаче высокого уровня напряжения на нагрузку (например, UП), падение напряжения на управляющем транзисторе, находящемся в насыщении, крайне мало, и он почти не выделяет тепловой мощности. В течение времени tП, т.е. при выдаче низкого уровня напряжения на нагрузку (например, нулевого), транзистор находится в отсечке, и выделяемая мощность равна нулю т.к. нулю равен ток. Активная мощность в управляющем элементе выделяется только в моменты переключения, которое хоть и мало, но занимает ненулевое время даже у быстродействующих ключей на полевых транзисторах. Это позволяет доводить КПД схем с ШИМ до уровней порядка 95-96% в широчайших пределах напряжений питания и напряжений на нагрузке.

Перед тем, как поступить на нагрузку, исходный сигнал восстанавливается на RC (для измерительных цепей) или LC-фильтрах (для силовых цепей). LC-фильтр не содержит резисторов, и малые потери в нем вызваны только ненулевым сопротивлением провода в дросселе и диэлектрическими потерями в емкости. В ряде случаев (нагревательные элементы, осветительные приборы) восстанавливать исходный сигнал вообще нет необходимости, если несущая частота ШИМ превышает некоторый воспринимаемый человеком уровень. То же касается применения ШИМ для управления электродвигателями, индуктивные обмотки которых имеют свойство интегрировать напряжение с восстановлением тока, который, собственно, и создает крутящий момент. Тогда ШИМ-форму исходного сигнала напрямую подают на нагрузку.

Принцип ШИМ в настоящее время используется в подавляющем большинстве источников питания, преобразователей напряжения, системах управления электромоторами, в осветительных приборах с настраиваемой яркостью, в цепях питания подсветки дисплеев, и даже в аудиотехнике, где выходной сигнал, поступающий на акустические системы и наушники, формируется быстродействующим ШИМ-модулятором (так называемые усилители класса D). Такая техника получила название «импульсной». Изученные ранее линейные схемы применяются лишь для обработки аналоговых сигналов и в тех силовых устройствах, где требуется высочайшее качество выходных напряжений и токов, полностью лишенных шумов изза неполного подавления несущей частоты ШИМ.

ШИМ-модуляторы могут быть как аналоговыми, так и цифровыми. В цифровых ШИМмодуляторах входным сигналом является число, а опорным – второе число, изменяющееся линейно (счетчик).

Для построения аналогового ШИМ-модулятора осталось дополнить уже известный нам генератор линейно изменяющегося напряжения схемой сравнения напряжений на аналоговом компараторе. В реальных схемах для повышения надежности рекомендуется установить для этого компаратора небольшой гистерезис, например, порядка 1% (R3 = 100 R4), как на рис. 2.

Рекомендуется иметь суммарное сопротивление резисторов R3 и R4 на уровне сотен кОм, чтобы получить высокое входное сопротивление модулятора.

Рис. 2. Аналоговый широтно-импульсный модулятор

Рабочий диапазон входных напряжений модулятора совпадает с размахом выходного

напряжения ГЛИН, т.е. П 1. Если входное напряжение оказывается ниже минимума, на выходе

2

схемы удерживается постоянный уровень –UП, если выше максимума – то +UП. Это является своего рода насыщением модулятора. В отличие от линейных усилительных схем, такой режим работы не является нештатным. Если, к примеру, на выход модулятора подключен через буферный элемент какой-то осветительный прибор или электропривод, то «положительное» насыщение всего лишь означает работу на полную мощность, а «отрицательное» – выключенную нагрузку.

Напряжение питания нагрузки может не совпадать с напряжениями питания модулятора. В таких случаях рабочее напряжение нагрузки обычно выше, за управление нагрузкой отвечает мощный высоковольтный транзисторный ключ.

Если какая-то схема содержит несколько ШИМ-модуляторов, для снижения уровня излучаемых электромагнитных помех рекомендуется синхронизировать их работу. В этом случае для нескольких модуляторов используется общий генератор пилообразно изменяющегося сигнала и индивидуальные компараторы.

Схема, показанная на рис. 2, отличается от классической (см. рис. 1) тем, что на выходе ГЛИН формируются импульсы в виде равнобедренных, а не прямоугольных треугольников. Это не меняет общей логики работы, однако, схема ГЛИН может быть усовершенствована следующим образом (рис. 3):

Рис. 3. Ассиметричный ГЛИН

Как видно, в схеме интегратора присутствует два резистора. Заряд конденсатора в течение времени импульса tИ происходит через резистор RЗАР и диод VD2, а разряд (время tП) – через RРАЗР, VD1. Взяв высокоомный RЗАР и низкоомный RРАЗР, можно сделать разряд много более быстрым, чем заряд, и получить на выходе ГЛИН сигнал, близкой к показанному на рис. 1.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №12. АНАЛОГОВЫЙ ШИРОТНОИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР: ЗАДАНИЕ

1. Соберите схему широтно-импульсного модулятора, показанную на рис. 1. В практических случаях в данной схеме в качестве источника опорного сигнала применяется уже известный нам ГЛИН, собранный на ОУ и компараторе, однако для большей скорости выполнения данной работы здесь вместо него используется лабораторный генератор, работающий в режиме генерации пилообразного сигнала.

Рис. 1. Широтно-импульсный модулятор для проведения исследований

Обратите внимание, что компаратор, установленный в схеме, имеет небольшой гистерезис, определяемый отношением выходного сопротивления в цепи скользящего контакта переменного резистора (UВХ), и R7. Первое, в зависимости от положения скользящего контакта, составляет примерно 1-3 кОм, а ширина петли гистерезиса в любом случае – менее 1% от диапазона питания. Это гистерезис нужен исключительно для лучшей помехозащищенности схемы.

3.Подключите канал №2 осциллографа к скользящему контакту переменного резистора R2 и приблизительно установите UВХ на уровень 0 В (включите для этого канала режим измерения «Mean» для регистрации среднего значения постоянного напряжения). Канал №3 осциллографа подключите к выходу схемы (UВЫХ) и убедитесь в наличии на выходе прямоугольных импульсов.

4.Изменяя положение скользящего контакта переменного резистора, визуально и при помощи осциллографа убедитесь в том, что длительность вспышек светодиодов изменяется от нулевой (светодиоды всегда выключены) до максимальной (светодиоды всегда включены).

5.Установите выходную частоту генератора 1 кГц. Изменяя положение скользящего контакта переменного резистора, при помощи осциллографа убедитесь в том, что длительность вспышек светодиодов изменяется от нулевой до максимальной. Обратите внимание, что частота

1 кГц не воспринимается человеческим зрением, и в процессе изменения UВХ субъективно меняется не длительность вспышек, а яркость свечения.

6.Получите осциллограммы, иллюстрирующие работу модулятора. Для этого при помощи переменного резистора R2 установите входное напряжение модулятора UВХ равным примерно +2 В и сфотографируйте осциллограмму сигналов. Затем установите входное напряжение –2 В и снова сфотографируйте осциллограмму.

7.Снимите зависимость коэффициента заполнения сигнала UВЫХ от входного напряжения модулятора UВХ. Для этого вращайте ручку переменного резистора R2 и измеряйте при помощи осциллографа напряжение UВХ, а также длительность импульса и период выходного сигнала. Дополнительно измерьте при помощи горизонтальных курсоров минимальное и максимальное напряжения выходного сигнала.

8.Снизьте частоту лабораторного генератора до уровня порядка 40-60 Гц. Убедитесь в том, что частота вспышек светодиодов все еще неразличима глазом, а изменение UВХ все еще приводит к изменению яркости свечения светодиода. Посмотрите на светодиоды через камеру мобильного телефона, медленно меняя частоту работы генератора в указанном диапазоне. Добейтесь того, что камера при определенных частотах генератора фиксирует вспышки, в то время, как невооруженный глаз – нет. Дайте объяснение наблюдаемому.

9.Вновь установите частоту генератора на уровне 1 кГц.

10.Подключите выход ФНЧ UФНЧ к четвертому каналу осциллографа, включите в этом канале режим измерения среднего значения напряжения («Mean»). Вращая ручку переменного резистора, убедитесь в том, что напряжение на выходе ФНЧ зависит от коэффициента заполнения ШИМ сигнала UВЫХ. Снимите зависимость выходного напряжения UФНЧ от коэффициента заполнения ШИМ сигнала, измеряя осциллографом длительность импульса и период выходного сигнала модулятора UВЫХ, а также значение напряжения UФНЧ.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №12. АНАЛОГОВЫЙ ШИРОТНОИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР: ШАБЛОН ОТЧЕТА

Составьте отчет по лабораторной работе, включив в него перечисленное в шаблоне ниже.

Амплитуда выходного напряжения генератора опорного напряжения UГ = ____ В.

Зная значение амплитуды опорного напряжения модулятора (то есть амплитуду напряжения на выходе генератора UГ), рассчитайте и постройте экспериментальную и теоретическую зависимости коэффициента заполнения выходного сигнала ШИМ от входного напряжения UВХ (табл.

1).

Рис. 1. Зависимость коэффициента заполнения выходного сигнала ШИМ модулятора от входного напряжения (теоретическая и экспериментальная)

Рис. 2. Осциллограмма работы модулятора при UВХ = +2 В

Рис. 3. Осциллограмма работы модулятора при UВХ = –2 В

Зная минимальное и максимальное напряжения выходного сигнала

модулятора ВЫХ и ВЫХ , рассчитайте и постройте экспериментальную и теоретическую зависимости напряжения на выходе ФНЧ, подключенного к модулятору UФНЧ и коэффициента заполнения выходного сигнала ШИМ (табл. 2).

Пример расчета:

ФНЧ = ∫ ВЫХ = ВЫХ + ∙ (ВЫХ − ВЫХ) =

Рис. 4. Зависимость выходного напряжения ФНЧ от коэффициента заполнения ШИМ (теоретическая и экспериментальная)