Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Микроэлектроника. Лабораторный практикум. Учебно-методическое пособие
.pdf
,В
U
вых
8
6
4
I
оп
=1мА
2
I
оп=1мкА
0
I
оп
-2
=1нА
-4
-6
,А
I
10
вх
-3
-8
10
-10
10
-9
10
-8
10
-7
10
-6
10
-5
10
-4
Рис. 2.13. Передаточная характеристика
логарифмического усилителя ICL8048
Передаточная характеристика логарифмического усилителя
ICL8048 приведена на рис. 2.13. Усилитель обеспечивает изменение вы-
ходного напряжения на 1 В на каждую декаду изменения входного тока.
Динамический диапазон изменения входного тока составляет 120 дБ,
т. е. шесть декад. Производитель гарантирует погрешность преобразования не более 0,5 % во всем диапазоне изменения входного логарифмируемого тока.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Отчет по лабораторной работе оформляется в виде отдельных разделов по каждому из основных пунктов программы работы. При этом
каждый из разделов должен содержать:
принципиальную схему исследуемого усилителя;
осциллограммы наблюдаемых процессов работы усилителя;
таблицы экспериментальных данных;
характеристики, построенные по экспериментальным данным;
анализ полученных результатов и выводы по проделанной работе.
31
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
1. Для каких целей используются логарифмические усилители
(ЛУ)? Антилогарифмические усилители?
Почему в логарифмических усилителях практически не исполь-
2.
зуют полупроводниковые диоды в качестве нелинейного элемента цепи
отрицательной обратной связи?
Почему рекомендуется использовать германиевые, а не кремни-
3.
евые транзисторы в схемах логарифмических усилителей?
4. Изобразите схему логарифмического усилителя на базе ОУ и
транзистора в диодном включении. Приведите сфазированные диаграммы
входного, выходного напряжений, а также напряжения база-эмиттер и тока эмиттера транзистора. Докажите, что данная схема логарифмирует.
Изобразите схему логарифмического усилителя на базе ОУ и
5.
транзистора с заземлённой базой. Приведите сфазированные диаграммы
входного, выходного напряжений, а также напряжения база-эмиттер и
тока эмиттера транзистора.
Приведите и прокомментируйте уравнение, описывающее ам-
6.
плитудную характеристику ЛУ с транзистором, включенным по схеме с
заземленной базой.
Как изменится амплитудная характеристика логарифмического
7.
усилителя, если уменьшить (увеличить) сопротивление резистора?
8. Почему ток логарифмического усилителя, как правило, не пре-
вышает 1 мА?
9. Приведите схему для снятия амплитудной характеристики ЛУ.
Определите диапазон изменения входного напряжения.
Изобразите схему, демонстрирующую работу антилогарифми-
10.
ческого усилителя на базе ОУ и транзистора в диодном включении.
Приведите сфазированные диаграммы входного и выходного напряжений, напряжения база-эмиттер и тока эмиттера транзистора. Получите
выражение для амплитудной характеристики.
Почему логарифмический усилитель работает с однополярным
11.
входным сигналом?
Как изменится амплитудная характеристика антилогарифмиче-
12.
ского усилителя, если уменьшить (увеличить) сопротивление резистора?
13. Какие погрешности логарифмирования Вы знаете? Способы
компенсации этих погрешностей.
14. Какие меры принимают с целью устранить самовозбуждение ЛУ?
32
15. Поясните механизм выхода транзистора из строя при непра-
вильной полярности входного напряжения в схеме ЛУ. Какие меры
принимают для защиты ЛУ.
Получите выражение для входного сопротивления антилогарифми-
16.
ческого усилителя. Чем определяется диапазон входного напряжения АЛУ?
17. Приведите схему антилогарифмического усилителя с транзисто-
ром, включенным по схеме с заземленной базой, амплитудная характеристика которого находится в четвертом квадранте (во втором квадранте).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гусев В.Г. Электроника и микропроцессорная техника : учеб-
ник для вузов / В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. – 5-е изд., стер. – Москва :
Высшая школа, 2008. – 798 с.
Алексенко А.Г. Применение прецизионных аналоговых микро-
2.
схем / А.Г. Алексенко, Е.А. Коломбет, Г.И. Стародуб. – 2-е изд. –
Москва : Радио и связь, 1985. – 256 с.
Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых
3.
электронных устройств / Г.И. Волович. – Москва : Додэка-XXI, 2005. –
528 с.
Intersil Corporation. – Режим доступа: https://www.renesas.com/
4.
en-eu/www/doc/datasheet/icl8048.pdf.
ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ
Микросхема КР140УД608 – 1 шт.
Транзистор МП38 (МП38А) – 1 шт.
Диод Д311 – 1 шт.
Резистор переменный 2,2 кОм – 1 шт.
Резистор 1 кОм – 2 шт.
Резистор 5,1 кОм – 1 шт.
Резистор 51 кОм – 1 шт.
Конденсатор 120 пФ – 1 шт.
Конденсатор 1,2 нФ – 1 шт.
33
Лабораторная работа № 3
АВТОГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью настоящей лабораторной работы является закрепление у
студентов теоретических знаний и получение ими практических навыков по расчету, сборке и исследованию схем RC-автогенераторов гармонических колебаний, выполненных на основе операционных усилителей и частотозависимых обратных связей.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ
1. Ознакомиться с теоретическими сведениями к данной работе,
контрольными вопросами и рекомендованной литературой.
Рассчитать значение квазирезонансной частоты f
2.
фильтра для элементов, выданных преподавателем (см. табл. 3.1).
ПРОГРАММА РАБОТЫ
1. Исследование RC-автогенератора на основе операционного
усилителя:
Собрать схему полосового фильтра из элементов, выданных
1.1.
преподавателем (два сопротивления, равных по номиналу и два
конденсатора с одинаковой емкостью). Подать на его вход
напряжение U
= 6 В от генератора синусоидальных сигналов
вх
с помощью измерительных приборов (осциллографа, цифрового
вольтметра) определить реальную квазирезонансную частоту.
Снять амплитудную характеристику полосового фильтра
1.2.
= f (Uвх) на частоте f = f0 (использовать цифровой вольт-
U
вых
метр). При снятии амплитудной характеристики входное напряжение нужно изменять в пределах от 0 до 15 В дискретно с интервалом 2…3 В.
Собрать схему избирательного усилителя (рис. 3.1) на осно-
1.3.
ве неинвертирующего усилителя. Принять значение коэффициента передачи усилительного звена K = 4. Снять амплитудную
характеристику U
стоте f
. Амплитудную характеристику снимать путём установ-
0
ления дискретных значений напряжения U
= f (Uвх) усилителя на квазирезонансной ча-
вых
на неинвертирую-
вх
щем входе операционного усилителя, соответствующих дискретным значениям выходного напряжения полосового фильтра
U
вых.моста
, которые были получены ранее при снятии его ампли-
тудной характеристики п. 1.2 программы.
полосового
0
34
1.4. Построить в одних координатных осях амплитудные харак-
теристики полосового фильтра и неинвертирующего усилителя.
Помните! Входное напряжение неинвертирующего усилителя
является выходным напряжением для полосового фильтра.
В свою очередь, входное напряжение полосового фильтра является выходным напряжением усилителя. Поэтому при построении
амплитудных характеристик полосового фильтра и неинвертирующего усилителя в одних координатных осях, за базовые координатные оси нужно принять координатные оси амплитудной
характеристики неинвертирующего усилителя (
см. рис. 3.5).
По построенным характеристикам определить величину установившегося выходного напряжения автогенератора.
Отключить генератор. Замкнуть цепь положительной обрат-
1.5.
ной связи в схеме автогенератора (рис. 3.2) и подать напряжение
питания. Изменяя сопротивление резистора R
, добиться, чтобы
2
форма выходного напряжения стала максимально близкой к синусоидальной. Зарисовать форму выходного напряжения, определить его частоту и амплитуду.
Произвести сравнительный анализ параметров и формы вы-
1.6.
ходного напряжения генератора с параметрами выходного
напряжения, полученными в результате аналитических расчетов
и графических построений. Сделать выводы.
Исследование RC-автогенератора на основе операционного уси-
2.
лителя с нелинейными элементами в цепи отрицательной обратной связи.
Собрать схему автогенератора (рис. 3.3), используя пара-
2.1.
метры элементов моста Вина из п. 1. Подключить источник питания.
Снять сфазированные осциллограммы выходного напряже-
2.2.
ния U
автогенератора и напряжения в точке а. Измерить ча-
вых
стоту и амплитуду сигналов.
Сравнить теоретические расчеты с полученными результатами.
2.3.
Исследование RC-автогенератора с системой стабилизации ам-
3.
плитуды выходного напряжения.
Собрать схему автогенератора (рис. 3.4). Подключить ис-
3.1.
точник питания. Изменяя сопротивление резистора R
и наблю-
2
дая на экране осциллографа выходное напряжение, добиться
устойчивой работы автогенератора.
Снять сфазированные осциллограммы выходного напряже-
3.2.
ния U
исток U
автогенератора, напряжений сток-исток Uси и затвор-
вых
полевого транзистора. Измерить параметры сигналов.
зи
35
3.3. Изменяя коэффициент усиления усилителя с помощью рези-
стора R
, определить диапазон выходного напряжения, при кото-
2
ром наблюдается устойчивая работа автогенератора.
Сделать выводы.
3.4.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
1. При выполнении пп. 1.2 и 1.3 программы работы – снятие ам-
плитудных характеристик – целесообразно использовать схему рис. 3.1.
Тогда в таблицу данных заносят сразу три величины: напряжение генератора U
, напряжение на неинвертирующем входе ОУ (оно же –
ген
напряжение на выходе полосового фильтра) и напряжение на выходе
ОУ. Таким образом, можно получить и построить сразу две амплитудные характеристики – для полосового фильтра и для неинвертирующего
усилителя на ОУ. Если коэффициент усиления выбран правильно, то на
линейном участке напряжение на выходе усилителя
напряжение U
В п. 1.4. при построении амплитудных характеристик полосово-
2.
ген
.
больше, чем
го фильтра и неинвертирующего усилителя за базовые координатные
оси нужно принять оси амплитудной характеристики неинвертирующего усилителя (рис. 3.5). Точка пересечения этих двух амплитудных характеристик и показывает величину установившегося выходного
напряжения автогенератора. В обозначениях на рис. 3.5 принято
UUU
. От коэффициента усиления K неинвертирующего
наснаснас
усилителя зависит наклон линейного участка его амплитудной характеристики. При уменьшении коэффициента усиления также уменьшается
угол наклона характеристики. Очевидно, что при малых K (меньше 3)
амплитудные характеристики будут расходиться, у них больше не будет
точек пересечения (кроме начала координат). При этом нарушается
условие баланса амплитуд и
генерация в схеме отсутствует.
Таблица 3.1
Исходные данные для расчета полосового фильтра
№ варианта R, кОм C, пФ
1 33 820
2 33 910
3 33 1000
4 33 1200
5 36 820
6 36 910
7 36 1000
8 36 1200
36
R1
R2
33к
10к
2
3
C
7
4
+15В
6
U
вых
-15В
R
Рис. 3.1. Избирательный усилитель с разомкнутой петлёй положительной
обратной связи
C
R
U
ген
R1
10к
2
3
C
7
4
R2
+15В
6
33к
U
вых
-15В
R
Рис. 3.2. Автогенератор гармонических колебаний
C
R
37
R1
R2
a
10к 33к
2
3
VD1 VD2
6
U
вых
C
С
R
R
Рис. 3.3. Автогенератор с нелинейными элементами в цепи отрицательной
обратной связи
R1 R2
1к 3.3к
2
6
C1
VT1
3
DA1
U
вых
0,1
R3
VD1
470к
C
RR
C
Рис. 3.4. Автогенератор со стабилизацией амплитуды выходного
напряжения
U
вых.усил.
U
нас
U
m
усилитель с АРУ
мост Вина
усилитель
U
вх.усил.
Рис. 3.5. Амплитудные характеристики моста Вина, неинвертирующего
усилителя и усилителя с системой автоматической регулировки усиления,
построенные в одних координатных осях
38
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Теория генерации
Схема синусоидальных колебаний должна генерировать синусоиду
только одной частоты. Предположим, что в некоторой исходной точке схемы имеется сигнал, представляющий собой смесь гармонических колебаний разных частот (гармоник). Эти гармоники поступают на вход частотноизбирательной (селективной) цепи, которая в различной степени уменьшает
их амплитуду и пропускает на выход с различными фазовыми
сдвигами.
Вслед за тем гармоники проходят через усилитель для компенсации амплитудных потерь, внесенных в них схемой селекции. Пусть только одна из
этих гармоник на выходе усилителя будет точной копией исходной гармоники, совпадая с ней по амплитуде и фазе. Тогда, подав сигнал с выхода
усилителя обратно в избранную нами
исходную точку схемы, мы получим
генератор, в котором создаются колебания только одной частоты.
Рассмотрим этот принцип на примере трёх гармоник. Пусть Е
моника с требуемой (f
ми соответственно выше и ниже частоты гармоники Е
но-избирательной цепи напряжение Еʹ
лом Е
раз. Фаза же Еʹ
от Е
Е
, хотя его амплитудное значение меньше амплитуды последнего в 1/
0
не совпадает с фазой ЕВ (например, напряжение ЕʹВ отстаёт
В
). То же можно сказать о ЕʹН и ЕН (пусть напряжение ЕʹН опережает
В
). Представим себе, что все три гармоники с выхода частотно-
Н
) частотой колебаний, ЕВ и ЕН – колебания с частота-
0
. На выходе частот-
0
совпадает по фазе с входным сигна-
0
– гар-
0
избирательной цепи подаются на неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления K, равным 1/. Тогда получится, что только одна гармо-
ника Е
лее важно, точно с той же фазой, что и исходная гармоника Е
будет выходить из усилителя точно с той же амплитудой и, что бо-
0
.
0
Замкнем контур обратной связи, подключив выход усилителя к
входу частотно-избирательной цепи. При этом по всему замкнутому
контуру без изменения амплитуды и фазы будут проходить сигналы
только одной частоты. Иначе говоря, только на одной частоте петлевое
усиление равно 1. Сигналы всех других частот после каждого прохождения замкнутого контура будут ослабляться
и получать дополнитель-
ный фазовый сдвиг, что в результате приводит к их подавлению.
Где же первоначально возникает Е
? Источником служат либо
0
напряжение переходного процесса при включении питания, либо шумы,
неизбежно существующие в замкнутом контуре и содержащие бесконечное множество гармоник. Среди них будет одна (Е
), для которой
0
петлевое усиление равно 1. Фактически петлевое усиление для возникновения генерации Е
должно быть несколько больше 1. Последнее
0
39
условие называют балансом амплитуд. Далее будет показано, что необ-
R
f
R
R
R
ходимо принять меры к тому, чтобы Е
не возрастало неограниченно и
0
не вводило усилитель в насыщение.
Генератор с мостом Вина
На основе операционных усилителей (ОУ) могут быть построены
различные виды генераторов гармонических колебаний. Если требуется
получить синусоидальное напряжение низких или средних частот, то
удобнее всего применить один из вариантов RC-генераторов, поскольку
массогабаритные показатели LC-генераторов на таких частотах становятся неприемлемыми.
Хороший генератор в диапазоне звуковых частот может быть по
-
строен с использованием моста Вина. Частота, при которой мост Вина,
собранный из резисторов R
, R2 и конденсаторов C1, C2, приходит в рав-
1
новесие, равна:
f
Обычно R
= R2 = R и C1 = C2 = C, таким образом,
1
0
2
RCC
1212
. (3.1)
0
12
RC
Также известно, что на этой частоте отсутствует фазовый сдвиг между
входным и выходным напряжениями моста.
1
На
рис. 3.2 представлена практическая схема генератора. Здесь
RС-цепь – это частотный селектор по схеме моста Вина. Напряжение с
выхода этого моста поступает на неинвертирующий усилитель, построенный на ОУ, коэффициент усиления которого регулируется потенциометром R
. Квазирезонансная частота моста при равенстве сопротивле-
2
ний и равенстве емкостей определяется по формуле
1
Мост Вина ослабляет сигнал с частотой f
имеем β0 = 1/3. Необходимо иметь в виду, что для выполнения
те f
0
f
0
2
. (3.2)
C
в три раза, т. е. на часто-
0
условий самовозбуждения петлевое усиление в схеме должно превышать единицу, т. е. Kβ ≥ 1. Учитывая это обстоятельство, а также то, что
коэффициент усиления неинвертирующего усилителя
.
по известной величине сопротивления R
, (3.3)
1
, и рассчитывают R2. Чтобы
1
2
1K
выполнялся баланс амплитуд, необходимо задать K ≥ 3.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]