Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Микроэлектроника. Лабораторный практикум. Учебно-методическое пособие
.pdf
Если значение коэффициента усиления K будет меньше 3, то генерация не возникнет.
Автогенераторы со стабилизацией амплитуды
выходного напряжения
Если коэффициент усиления K равен точно 3, схема колеблется с
любой, заранее установленной амплитудой. Если K > 3, амплитуда колебаний будет увеличиваться со временем, пока не возникнут серьезные
искажения. Если K < 3, амплитуда колебаний будет со временем стремиться к нулю. Поскольку идеальное значение K установить нельзя,
требуется применять систему автоматической стабилизации амплитуды
выходного
напряжения. Эта система обычно работает, воздействуя на
изменение коэффициента усиления цепи отрицательной обратной связи
так, чтобы стабилизировались колебания при малых искажениях. Такие
схемы стабилизации могут быть достаточно сложными и содержать до
четырех дополнительных ОУ.
На рис. 3.3 показан генератор с мостом Вина, использующий один
усилитель. Контур положительной обратной связи имеет одинаковые
по
величине резисторы и конденсаторы. Поэтому коэффициент передачи
моста Вина на квазирезонансной частоте β
= 1/3. Контур отрицательной
0
обратной связи обеспечивает коэффициент усиления несколько больший,
чем 3, что гарантирует генерацию колебаний. Диоды, включенные по
встречно-параллельной схеме, обеспечивают автоматическую стабилизацию коэффициента усиления. По мере того, как возрастает выходное
напряжение U
усилителя и, следовательно, ток IVD диода, динамиче-
вых
ское сопротивление диода падает в соответствии с соотношением
26 мВ
где r
r
д
– динамическое сопротивление диода;
д
I
– мгновенное значение тока диода;
VD
I
, (3.4)
VD
26 мВ – температурный потенциал p-n-перехода при нормальной
температуре.
Таким образом, по мере возрастания U
= R2 + rд понижается, стабилизируя амплитуду на выходе и предот-
R
ос
общее сопротивление
вых
вращая её грубое ограничение.
Обычно сопротивление потенциометра R
3R
2
. Потенциометр ис-
1
пользуется для установки амплитуды колебаний. Максимальная частота
выходных колебаний ограничивается скоростью нарастания напряжения на выходе операционного усилителя. С помощью этой схемы могут
41
быть получены малые искажения – порядка 0,05 %. Применение буфер-
R
ного усилителя на выходе почти всегда необходимо.
Наиболее высокая стабильность амплитуды выходного напряжения
генератора достигается тогда, когда цепь регулировки глубины ООС
выполняется на основе сравнения амплитуды генерируемого напряжения с опорным постоянным напряжением. Обычно вначале выпрямляют
переменное напряжение с выхода генератора, затем из него
вычитают
опорное напряжение, а разность усиливают и используют для управления одним из сопротивлений, входящих в ветвь ООС генератора. В качестве управляемых сопротивлений при этом могут применяться полевые транзисторы, фоторезисторы, терморезисторы и т. д.
В схеме, показанной на рис. 3.4, регулирующим элементом в цепи
обратной связи является n-канальный
стор подключен параллельно резистору R
полевой транзистор VT1. Транзи-
. Эквивалентное сопротивле-
1
ние такого соединения зависит от состояния полевого транзистора (ПТ)
и влияет на коэффициент усиления неинвертирующего усилителя:
RKr
1
2
, (3.5)
VT
где r
1
– сопротивление сток-исток полевого транзистора.
VT
В этой схеме выходной синусоидальный сигнал детектируется пиковым детектором (VD
, C1, R3), и результирующее напряжение в виде
1
постоянного потенциала, изменяющегося с изменением амплитуды на
выходе, подается на затвор ПТ. Потенциометром R
регулируется коэф-
2
фициент усиления усилителя так, чтобы при изменении сопротивления
канала транзистора автоматически выполнялось условие генерации и
повышалась стабильность работы схемы при различных амплитудах
выходного напряжения.
При включении автогенератора напряжение затвор-исток ПТ равно
нулю, и последний эквивалентен низкоомному резистору. Коэффициент
передачи ОУ, определяемый цепью отрицательной обратной связи, в
этом
случае равен максимально возможному значению. Поэтому амплитуда выходного напряжения будет увеличиваться. Появляющееся при
этом напряжение на конденсаторе С
пикового детектора вызывает запи-
1
рание ПТ, т. е. повышение сопротивления сток-исток и, соответственно,
увеличение глубины отрицательной ОС. При некотором значении выходного напряжения петлевое усиление в цепях ОС автогенератора станет равным единице, что обеспечивает стабилизацию амплитуды U
вых
.
В связи с тем, что цепь автоматической регулировки усиления (АРУ)
управляет усилением практически при любых амплитудах выходного сиг-
42
нала, разброс сопротивлений резисторов в петле отрицательной ОС практически не оказывает влияния на работу схемы. Однако следует отметить,
что в течение периода выходного напряжения возможны некоторые изменения коэффициента усиления в схеме за счет конечного значения времени разряда фильтрующего конденсатора С
через резистор R3. Поэтому в
1
каждом конкретном случае необходимо выбирать постоянную времени
исходя из требуемого уровня стабилизации амплитуды выходного
R
3С1
напряжения генератора и приемлемого значения времени передачи сигнала по цепи АРУ. Схема генератора такого типа обеспечивает уровень искажений синусоидального напряжения не хуже 0,2 %.
Стабилизация частоты выходного напряжения генератора
Рассмотренные схемы генераторов синусоидальных колебаний имеют
фиксированную частоту выходных сигналов, задаваемую RC-элементами в
цепях ПОС. Стабильность частоты колебаний, генерируемых такими схемами, в большей степени зависит от качества этих элементов, чем от структуры фазосдвигающей цепи и характеристик ОУ. Поэтому при использовании высококачественных RC-элементов приведенные выше схемы обычно
удовлетворяют требованиям, предъявляемым к генераторам синусоидальных колебаний в части стабильности частоты выходного сигнала.
При построении генераторов синусоидальных колебаний с регулируемой частотой следует учитывать тот факт, что с изменением номинала хотя бы одного из частотозадающих элементов изменяется условие
возникновения генерации, что может привести к срыву колебаний. Поэтому
для изменения частоты в генераторе на мосте Вина необходимо
использовать сдвоенный потенциометр (или конденсатор).
В некоторых устройствах, например, в эталонных генераторах,
применяемых в прецизионных радиотехнических и измерительных системах, требуется дополнительная стабилизация частоты, которая
обычно осуществляется с помощью кварцевого кристалла, включаемого
в цепь положительной обратной связи генератора [2, 3].
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Отчет по лабораторной работе оформляется в виде отдельных разделов по каждому из двух основных пунктов программы работы.
При этом каждый из разделов должен содержать:
принципиальную схему исследуемого автогенератора;
расчет параметров элементов схемы автогенератора;
таблицы экспериментальных данных;
графики и характеристики, построенные по экспериментальным
данным;
осциллограммы наблюдаемых процессов работы автогенератора;
43
анализ полученных данных в результате исследования автоге-
нератора и выводы по проделанной работе.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
1. Назовите и поясните основные условия самовозбуждения авто-
генераторов.
Какие существуют режимы самовозбуждения автогенераторов?
2.
Каким образом в схемах RC-автогенераторов обеспечиваются
3.
условия самовозбуждения?
Нарисуйте схему моста Вина, приведите уравнение для опреде-
4.
ления его квазирезонансной частоты, нарисуйте амплитудную и фазовую частотные характеристики, а также амплитудную характеристику
на квазирезонансной частоте.
Что является первоначальным источником сигнала для возбуж-
5.
дения автогенератора?
Какие частотно-избирательные цепи можно использовать при
6.
создании RC-автогенераторов?
Изобразите схему простейшего автогенератора гармонических
7.
колебаний на ОУ. Приведите сфазированные диаграммы выходного
напряжения и напряжения на инвертирующем входе ОУ. Поясните
принцип действия.
Рассчитайте простейший генератор с мостом Вина на частоту
8.
10 кГц. Принять значение емкости C = 0,001 мкФ.
Изобразите схему автогенератора гармонических колебаний на
9.
ОУ с нелинейными элементами в цепи обратной связи. Приведите сфазированные диаграммы выходного напряжения, напряжения на инвертирующем входе ОУ и напряжения в точке подключения диодов к резистору обратной связи. В чём особенности данной схемы?
Каким образом можно осуществлять плавную перестройку ча-
10.
стоты исследуемых автогенераторов? Дискретную перестройку частоты?
В каком диапазоне частот используются RC-автогенераторы
11.
гармонических колебаний, каковы их преимущества по сравнению
с LC-автогенераторами?
С какой целью в RC-автогенераторы вводят следящую отрица-
12.
тельную обратную связь?
Определите минимальное сопротивление резистора R
13.
в цепи
2
отрицательной обратной связи (рис. 3.2), обеспечивающее выполнение
условия баланса амплитуд.
Постройте амплитудные характеристики усилителя и моста Ви-
14.
на в координатных осях усилителя, покажите, в каких случаях выполняются условия самовозбуждения.
44
15. Изобразите схему автогенератора гармонических колебаний на
ОУ с системой стабилизации выходного напряжения, построенной на
полевом транзисторе. Приведите сфазированные диаграммы выходного
напряжения, напряжений сток-исток U
и затвор-исток Uзи полевого
си
транзистора. Поясните принцип действия данной схемы.
В чём различие между линейными и нелинейными искажения-
16.
ми напряжения? Поясните с помощью временных диаграмм напряжений. Какими коэффициентами оцениваются данные искажения?
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фолкенберри Л. Применения операционных усилителей и ли-
нейных ИС : пер. с англ. / Л. Фолкенберри. – Москва : Мир, 1985. – 572 с.
Кофлин Р. Операционные усилители и линейные интегральные
2.
схемы : пер. с англ. / Р. Кофлин, Ф. Дрискол ; под ред. Гальперина М.В. –
Москва : Мир, 1979. – 360 с.
Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных
3.
устройствах / В.С. Гутников. – Ленинград : Энергия. Ленинградское отделение, 1980. – 248 с.
Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. Справоч-
4.
ное пособие / под ред. С.В. Якубовского – 2-е изд., перераб. и доп. –
Москва : Радио и связь, 1985. – 432 с.
Алексенко А.Г. Применение прецизионных аналоговых микро-
5.
схем / А.Г. Алексенко, Е.А. Коломбет, Г.И. Стародуб. – 2-е изд., перераб. и доп. – Москва : Радио и связь, 1985. – 256 с.
ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ
ДЛЯ СХЕМ RC-АВТОГЕНЕРАТОРОВ
Микросхема КР140УД608 – 1 шт.
Транзистор КП303Е – 1 шт.
Диод КД509 – 2 шт.
Резистор переменный 3,3 кОм – 1 шт.
Резистор переменный 33 кОм – 1 шт.
Резистор 1 кОм – 1 шт.
Резистор 10 кОм – 1 шт.
Резистор 33 кОм (36 кОм) – 2 шт.
Резистор 470 кОм – 1 шт.
Конденсатор 1,2 нФ (820 пФ) – 2 шт.
Конденсатор 0,1 мкФ – 1 шт.
45
Лабораторная работа № 4
ГЕНЕРАТОРЫ ИМПУЛЬСОВ НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучение особенностей функционирования генераторов прямоугольных импульсов (триггер, автоколебательный и ждущий мультивибраторы), выполненных на основе операционного усилителя, а также
получение практических навыков проведения экспериментального исследования.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ
1. Ознакомиться с теоретическими сведениями к данной работе и
рекомендованной литературой.
2.
Вычислить длительность положительных (
) импульсов, их скважность (q) на выходе автоколебательных муль-
(
t
и
тивибраторов, изображенных на рис. 4.3 и 4.4.
3.
Рассчитать длительность выходного импульса (t
становления (t
ную частоту следования (f
) исходного состояния, а также максимально возмож-
вос
) импульсов запуска для ждущего мульти-
max
вибратора, изображенного на рис. 4.5.
) и отрицательных
t
и
), время вос-
и
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
В лабораторной работе используется компаратор типа LM311
(отечественный аналог КР544СА3) в пластмассовом корпусе DIP8.
+U
пит
инв.
вход
DA1
3
8
R
к
2к
7
2
U
вых
неинв.
вход
Рис. 4.1. Схема включения LM311
41
-U
пит
Назначение выводов:
1 – общий (открытый эмиттер);
2 – неинвертирующий вход;
46
3 – инвертирующий вход;
4 – отрицательный источник питания;
5 – баланс;
6 – баланс/строб;
7 – выход (открытый коллектор);
8 – положительный источник питания.
Схема включения компаратора (рис. 4.1), используемая в данной
лабораторной работе, позволяет при использовании разнополярных источников питания получить на выходе разнополярное напряжение. Если
выводы 5 и 6 не используются, их необходимо соединить вместе!
ПРОГРАММА РАБОТЫ
1. Собрать схему триггера на ОУ, изображенную на рис. 4.2, а.
Включить источник питания U
Подать на вход триггера синусоидальное напряжение с генера-
2.
тора, U
= 2 В (действующее значение), f = 10 кГц. Снять сфазирован-
вх
= 15 В.
пит
ные осциллограммы напряжений на входе и выходе триггера. Измерить
параметры наблюдаемых сигналов.
По данным пункта 2 построить передаточную характеристику
3.
триггера
UfU
. Определить ширину петли гистерезиса, напря-
вхвых
жения насыщения ОУ (рис. 4.2, б).
U
вых
U
нас
+
U
нас
U
+
вх
U
вх
3
2
8
DA1
41
+15В
7
2к
R1
100к
U
вых
U
–
нас
0
-15В
а б
R2
10к
–
U
нас
Рис. 4.2
4. Увеличить в 2 раза амплитуду входного напряжения генерато-
ра. Оценить, как изменились параметры выходных импульсов триггера.
Собрать схему автоколебательного мультивибратора по рис. 4.3.
5.
47
6. Снять сфазированные осциллограммы напряжений на конден-
саторе и на выходе ОУ. Измерить параметры положительных и отрицательных импульсов на выходе ОУ: амплитуду, длительность импульса,
длительности фронта и среза импульса, период повторения.
Убрать из схемы конденсатор. Мультивибратор должен сохра-
7.
нить работоспособность из-за наличия паразитной емкости на входе ОУ.
Измерить частоту импульсов на выходе генератора. Пользуясь данными
предыдущего пункта и зная, что частота обратно пропорциональна времязадающей емкости, рассчитать паразитную емкость данной схемы.
R’470к
VD1
+15В
8
DA1
41
VD2
7
+15В
2к
R1
100к
R2
10к
U
вых
C
4700
R
3
2
68к
DA1
41
-15В
C
2к
8
7
U
вых
4700
R1
R”68к
3
2
100к
R2
-15В
10к
Рис. 4.3 Рис. 4.4
8. Собрать схему мультивибратора по рис. 4.4. Зарисовать сфази-
рованные диаграммы напряжений на выходе мультивибратора и на конденсаторе. Измерить длительности положительных и отрицательных
импульсов на выходе, определить их скважность.
Закоротить диод VD
9.
. Определить, как изменились длительно-
1
сти положительного и отрицательного импульсов на выходе мультивибратора. Объяснить полученный результат.
Собрать схему ждущего мультивибратора по рис. 4.5. Цепь, по-
10.
казанную пунктиром, не подключать! Сигнал запуска не подавать!
Включить источник питания. Проверить исходное состояние мульти-
–
вибратора: напряжение на выходе равно U
торе C равно
Подать на вход мультивибратора запускающие импульсы с ге-
11.
(–)U
пр. VD
.
, напряжение на конденса-
нас
нератора прямоугольных импульсов. Параметры импульсов: полярность – положительная, амплитуда 2 В, частота 3 кГц, длительность
48
1 мкс. Снять сфазированные осциллограммы напряжения запуска,
напряжений на времязадающем конденсаторе C и на выходе ОУ.
Определить длительность выходных импульсов и время восстановления исходного состояния.
12.
торе U
Наблюдая напряжение запуска U
, увеличить частоту запускающих импульсов до значения, при
C
и напряжение на конденса-
зап
котором период запускающих импульсов станет меньше, чем расчетное
+ t
(t
и
). Зарисовать полученные диаграммы U
вос
и UC. Объяснить ре-
зап
зультат.
Вернуть частоту запускающих импульсов к исходному значе-
13.
нию (3 кГц). Подключить дополнительную цепь R
и VD3, показанную
4
на рис. 4.5 пунктиром. Определить длительность выходных импульсов и
время восстановления исходного состояния. Сравнить с предыдущей
схемой (без R
и VD3). Измерить и объяснить, почему изменилась вели-
4
чина напряжения исходного состояния на конденсаторе.
R4 10к
VD1
VD3
R68к
+15В
3
2
8
DA1
41
7
R1
100к
C1
C
4700
VD2680
Um=2B
=1мкс
t
и
f =3кГц
R3
10к
-15В
R2
10к
Рис. 4.5
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
2к
U
вых
Операционный усилитель
Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель постоянного
тока с дифференциальным входом и несимметричным выходом, имеющий весьма высокие коэффициент усиления и входное сопротивление, а
также малое выходное сопротивление.
49
Питание ОУ осуществляется от разнополярного источника напряжения U
. В схемах, построенных на ОУ, для простоты цепи питания
пит
обычно не показывают.
При построении импульсных устройств часто применяют специализированные микросхемы –
компараторы, которые предназначены
для сравнения аналоговых сигналов, имеют высокие коэффициент усиления и скорость переключения. На рис. 4.1 показано условное обозначение компаратора LM311 и используемая в данной лабораторной работе схема его включения.
Типовые схемы включения компаратора LM311
приведены в прил. Б.
Триггер
В схеме, изображенной на рис. 4.2, а, осуществлена положительная
обратная связь по напряжению с выхода ОУ на его неинвертирующий вход.
Часть выходного напряжения (с резистора R
) передаётся на неин-
2
вертирующий вход. Это напряжение усиливается ОУ, напряжение на
выходе увеличивается. Часть его снова передаётся на неинвертирующий
вход и т. д. В схеме развивается регенеративный процесс, по окончании
которого ОУ переходит из усилительного режима в режим насыщения.
Если первоначальное приращение напряжения на выходе отрицательно,
то по окончании регенеративного
–
напряжение U
, в противном случае – напряжение U
нас
процесса на выходе устанавливается
+
. Таким обра-
нас
зом, схема рис. 4.2, а имеет два устойчивых состояния, т. е. является
триггером.
U
(В)
вых
+
U
U
U
нас
вх
нас
(мВ)
–
линейный
участок
область
насыщения
неинв.
вход
U
пор
инв.
вход
Рис. 4.6. Амплитудная характеристика ОУ
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]