Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Схемотехника телекоммуникационных устройств. Учебное пособие.pdf
51
Мультивибратор.
1. Собрать схему (рис. 3.2) и рассчитать ее элементы для следующих данных: напряжения насыщения U
+
нас
= U
–
нас
; полупериоды коле-
баний равны T1 = T2; T = 2C.
2. Зарисовать эпюры напряжений на входах операционного усилителя и выходе и оценить период колебания.
Ждущий мультивибратор
1. Собрать схему ждущего мультивибратора (рис. 3.3) с параметрами: R = 10…100 кОм; С = 0,5 мкФ; R1 = 100 кОм; R2 = 1 МОм;
Свх = 0,5 мкФ; Rвх = 100 кОм.
2. Отключив диод D1, добиться регулировкой четкого изображе-
ния импульсов на экране осциллографа. Определить длительность импульсов.
3. Включить диод D1 и синхронизирующим импульсом отрицательной полярности запустить одновибратор. Эпюры напряжения зарисовать и объяснить все выходные данные.
Содержание отчета
1. Наименование и цель работы.
2. Рисунки принципиальных электрических схем мультивибрато-
ра, компаратора, ждущего мультивибратора на основе ОУ.
3. Расчетные параметры исследуемых устройств с использовани-
ем полученных экспериментальных данных.
4. Экспериментальные осциллограммы на входе и выходе исследуемых устройств.
5. Выводы по результатам выполнения лабораторной работы.
Контрольные вопросы
1. Обоснуйте целесообразность включения положительной обратной связи в практических схемах компараторов.
2. Почему часто на практике приходится ограничивать величину
выходного напряжения компараторе?
3. Какие типы обратных связей используются в схеме автоколебательного мультивибратора?
4. Чем определяется период колебаний мультивибратора?
5. Каким образом реализовать несимметричный мультивибратор?
6. Назовите назначения диодов D1 и D2 в одновибраторе.
7. Как изменяется работа одновибратора, если поменять поляр-
ность включения диода D1?
52
Лабораторная работа 4
ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАТОРА И ДИФФЕРЕНЦИАТОРА
Цель работы: изучить электрическую схему, принцип действия,
свойства и характеристики интегратора и дифференциатора на основе
операционного усилителя.
Краткие теоретические сведения
Интегратор.
Интегратором называется электронное устройство, выходной
сигнал которого пропорционален интегралу по времени от его входного сигнала. Схема выполнена на ОУ, является инвертирующим усилителем, в ОС которого включен конденсатор C (рис. 4.1, а).
Передаточная функция при R
ос
= Zос(P),
)(
)(
)(
вх
ос
pZ
pZ
pW
p
p
RCR
C1/1
является передаточной функцией идеального интегри-
рующего звена с постоянной времени T = RC. Логарифмическая
амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) показана штриховой
линией на рис. 4.1, б. По первому закону Кирхгофа для инвертирую-
щего входа ОУ
dtCdU
R
U
вых
вх
или
dtU
RC
dU
вхвых
1
;
dtU
RC
U
вхвых
1
.
а)
Рис. 4.1. Принципиальная электрическая схема интегратора (а)
и ЛАЧХ (б) (начало)
53
б)
Рис. 4.1. Продолжение
Частота, на которой коэффициент передачи интегратора равен
единице, не зависит от собственного коэффициента усиления ОУ и
определяется параметрами его внешней цепи. Диапазон интегрирования реального интегратора ограничен снизу частотой
)1(
1
o
ср
u
KRC
, что определяется ограничением максимального
коэффициента усиления ОУ.
Диапазон интегрирования реального интегратора ограничен сверху частотой
оу
o
1
T
Ku
, что является следствием ограничения полосы
пропускания ОУ. Следовательно, приведенная выше схема интегратора может использоваться как интегратор в диапазонt частот
ср
. Для реального интегратора передаточная функция
1)1(
)(
o
PKRC
K
pW
u
.
Операционный усилитель имеет высокий собственный коэффициент усиления, охвачен глубокой отрицательной обратной связью.
В этом случае дифференциальное напряжение между входами ОУ
приблизительно равно нулю. Тогда входной ток будет определяться
входным напряжением и резистором R. Так как у операционного усилителя высокое входное сопротивление, то в основном входной ток
протекает через конденсатор С и заряжает его. Данный процесс соответствует операции интегрирования.
В реальных интеграторах при выполнении интегрирования сигналов низкочастотного диапазона наблюдаются ошибки интегрирования
в результате заряда емкости входными токами операционного усили-
54
теля, что приводит к длительному заряду конденсатора до напряжения
питания. При использовании интегратора для интегрирования изменяющихся напряжений для уменьшения его чувствительности к дрейфу напряжения сдвига и к заряду конденсатора током смещения параллельно конденсатору С включается корректирующее сопротивление R1 большого номинала. Для уменьшения влияния тока смещения
между неинвертирующим входом и землей включается сопротивление
R2 = R | | R1, которое выполняет функции ограничения коэффициента
усиления на низких частотах; устранения ошибок интегрирования,
связанных с зарядом емкости С входными токами ОУ;
– уменьшение влияния напряжения смещения ОУ.
Дифференциатор.
Дифференциатор – это устройство, входной сигнал которого пропорционален производной от его входного сигнала. Он является инвертирующим усилителем, в цепь обратной связи которого включено
апериодическое звено RC (рис. 4.2).
Передаточная функция
p
p
g
RC
C
R
pZ
pZ
pW
/1
)(
)(
)(
oc
соответствует идеальному
дифференцирующему звену. Для инвертирующего входа ОУ по первому
закону Кирхгофа уравнения для суммы токов
dtCdURU
вхвых
или
dtRCdUU
вхвых
. ЛАЧХ (рис. 4.2, б) имеет постоянный наклон
+20 дб/дек (штриховая линия), если модуль передаточной функции
приравнять к единице, то частота, как и в интеграторе, будет равна
ωс = 1/RC.
а)
Рис. 4.2. Принципиальная электрическая схема дифференциатора (а)
и ЛАЧХ (б) (начало)
55
б)
Рис. 4.2. Продолжение
Входное напряжение вызывает протекание тока через конденсатор С1. Наличие высокого собственного коэффициента усиления ОУ и
глубокой отрицательной обратной связи определяет выходное напряжение операционного усилителя, которое пропорционально скорости
изменения входного напряжения. Схемы дифференциаторов имеют следующие недостатки: в результате действия цепи обратной связи могут
быть фазовые сдвиги, которые приводят к неустойчивой работе дифференциатора и появлению ошибок дифференцирования; при функционировании в высокочастотном диапазоне увеличивается входной ток от
источника сигнала, что связано с возможным нарушением работы
дифференциатора; в результате возрастания коэффициента передачи
дифференциатора с ростом частоты увеличиваются высокочастотные
помехи. Повышение устойчивости достигается введением в схему корректирующего элемента (R1) перед инвертирующим входом, который
снижает входной ток и коэффициент передачи на высоких частотах для
уменьшения собственных помех дифференциатора. Необходимо выполнять коррекцию высокочастотных шумов на выходе дифференциатора.
Для этого параллельно резистору R подключается конденсатор С1, который подбирается таким образом, чтобы частота 1/2πR2C1 на порядок
превышала наибольшую частоту дифференцируемого сигнала для обеспечения более высокой точности преобразования. Так как дифференциатор имеет емкостной вход, то во избежание перегрузки источника
напряжения Uвх последовательно с конденсатором C1 следует включать сопротивление R1.
Описание лабораторного стенда
Стенд для исследования интегратора и дифференциатора выполнен на основе интегральной микросхемы операционного усилителя.
В стенд включены резисторы и конденсаторы различных номиналов,
56
контактные гнезда для их коммутации со входами и выходами операционного усилителя. В стенд встроен блок питания и предусмотрена
светодиодная индикация для контроля уровней напряжения питания.
Схема лабораторного стенда приведена на рис. 4.3.
Порядок выполнения работы
I. Исследование интегратора.
1. На лабораторном стенде (рис. 4.3) собрать схему интегратора
(рис. 4.1, а) для следующих значений: R = 0,1 МОм; R = 1 МОм; C = 0,5 мкФ;
C = 1мкФ; f = 30 кГц; входное напряжение U
вх
изменять в диапазоне от
0 до 2 В с шагом 0,1 В.
Рис. 4.3. Схема лабораторного стенда для исследования интегратора
и дифференциатора
2. Снять передаточную характеристику интегратора при изменении параметров отрицательной обратной связи R и C и данные занести
в табл. 4.1 – 4.3.
57
4.1. Экспериментальные данные передаточной характеристики
интегратора при R = 0,1 МОм, C = 0,5 мкФ
Uвх U
вых
Соединение элементов для исследования принципиальной элек-
трической схемы интегратора и дифференциатора соответствующих
номиналов согласно заданию выполняется соединительными проводами с металлизированными выводами.
4.2. Экспериментальные данные передаточной характеристики
интегратора при R = 1 МОм, C = 0,5 мкФ
Uвх
U
вых
4.3. Экспериментальные данные передаточной характеристики
интегратора при R = 1 МОм, C = 1 мкФ
Uвх
U
вых
По экспериментальным данным табл. 4.1 – 4.3 построить графики
передаточных функций и оценить амплитуду выходного сигнала интегратора. Выполнить расчет выходного напряжения интегратора.
2. Снять амплитудно-частотную характеристику интегратора для
среднего уровня входного гармонического сигнала при R = 0,5 МОм
и R = 1 МОм; C = 1 мкФ. Экспериментальные данные внести в
табл. 4.4–4.5.
4.4. Экспериментальные данные амплитудно-частотной
характеристики интегратора при R = 0,5 МОм, C = 1 мкФ
U
вых
f
4.5. Экспериментальные данные амплитудно-частотной
характеристики интегратора при R = 1 МОм, C = 1 мкФ
Uвх
U
вых
58
По экспериментальным данным табл. 4.4, 4.5 построить графики
АЧХ интегратора в одних координатах, определить частоты среза.
Установить влияние обратной связи на частотную полосу пропускания
интегратора.
3. Подать на вход интегратора входные сигналы на частотах
500 Гц и 3 кГц: гармонический, прямоугольной и пилообразной формы. Исследовать форму выходного сигнала интегратора при каждом
виде сигнала. Подать на вход интегратора прямоугольные сигналы.
Изменяя длительность и скважность прямоугольных импульсов, получить на экране осциллографа импульсы треугольной формы.
Осциллограммы выходных сигналов представить в отчете по ла-
бораторной работе.
II. Исследование дифференциатора.
1. На лабораторном стенде (рис. 4.3) собрать схему дифференциа-
тора (рис. 4.2, а) для следующих значений: R = 0,5 МОм; R = 1 МОм;
C = 0,5 мкФ; f = 20 кГц; входное напряжение Uвх изменять в диапазоне
от 0 до 1 В с шагом 0,1 В.
2. Снять передаточную характеристику дифференциатора при изменении параметра отрицательной обратной связи R и данные занести
в табл. 4.6, 4.7.
4.6. Экспериментальные данные передаточной характеристики
дифференциатора при R = 0,5 МОм, C = 0,5 мкФ
Uвх
U
вых
4.7. Экспериментальные данные передаточной характеристики
дифференциатора при R = 1 МОм, C = 0,5 мкФ
Uвх
U
вых
По экспериментальным данным табл. 4.6, 4.7 построить графики
передаточных функций и оценить амплитуду выходного сигнала дифференциатора. Выполнить расчет выходного напряжения дифференциатора.
2. Снять амплитудно-частотную характеристику дифференциатора для среднего уровня входного гармонического сигнала при
R = 0,5 МОм и R = 1 МОм и; C = 0,5 мкФ. Экспериментальные данные
внести в табл. 4.9, 4.10.
59
4.9. Экспериментальные данные амплитудно-частотной
характеристики дифференциатора при R = 0,5 МОм, C = 0,5 мкФ
U
вых
f
4.10. Экспериментальные данные амплитудно-частотной
характеристики дифференциатора при R = 1 МОм, C = 0,5 мкФ
U
вых
f
По экспериментальным данным табл. 4.9, 4.10 построить графики
АЧХ дифференциатора в одних координатах, определить частоты среза. Установить влияние обратной связи на частотную полосу пропускания дифференциатора.
3. Подать на вход дифференциатора входные сигналы на частотах
300 Гц и 2 кГц: гармонический, прямоугольной и пилообразной формы. Исследовать форму выходного сигнала дифференциатора при
каждом виде сигнала. Подать на вход дифференциатора прямоугольные сигналы. Изменяя длительность и скважность прямоугольных импульсов, получить на экране осциллографа импульсы треугольной
формы.
Осциллограммы выходных сигналов представить в отчете по ла-
бораторной работе.
Содержание отчета
1. Цель лабораторной работы.
2. Принципиальные электрические схемы интегратора и дифференциатора.
3. Графики передаточных функций интегратора и дифференциатора при заданных значениях R и C.
4. Амплитудно-частотные характеристики интегратора и дифференциатора при заданных значениях R и C.
5. Осциллограммы выходных сигналов интегратора и дифференциатора при заданных значениях R и C с определением частоты среза.
6. Выводы по результатам исследования интегратора и дифференциатора.
Контрольные вопросы
1. Принцип действия интегратора и дифференциатора.
2. Принципиальные электрические схемы интегратора и дифференциатора.
60
3. Амплитудно-частотные характеристики интегратора и дифференциатора.
4. Влияние отрицательной обратной связи на амплитудночастотные характеристики интегратора и дифференциатора.
5. Влияние корректирующих элементов R и C на амплитудночастотные характеристики интегратора и дифференциатора.
4. Влияние отрицательной обратной связи на передаточные характеристики интегратора и дифференциатора.
5. Влияние корректирующих элементов R и C на передаточные
характеристики интегратора и дифференциатора.
6. Расчет выходного напряжения интегратора и дифференциатора.
7. Выходные сигналы интегратора при подаче на вход сигналов
гармонический, прямоугольной и пилообразной формы.
8. Выходные сигналы дифференциатора при подаче на вход сигналов гармонической, прямоугольной и пилообразной формы.
9. Способ уменьшения погрешности интегрирования для схемы
интегратора.
10. Повышение устойчивости работы схемы дифференциатора.
11. Преимущество интегратора и дифференциатора по сравнению
с интегрирующими и дифференцирующими электрическими цепями.
Лабораторная работа 5
ИЗУЧЕНИЕ АКТИВНОГО RC-ФИЛЬТРА
НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ
Цель работы: исследование частотных и избирательных свойств
активного RC-фильтра.
Краткие теоретические сведения
Частотные характеристики формируются как пассивными
(R, L, C), так и активными элементами (усилительными). Операцион-
ные усилители применяются в активных фильтрах, так как их высокое
входное сопротивление не нагружает частотозадающие RC-цепи.
Необходимо, чтобы операционный усилитель, охваченный отрицательной обратной связью, обеспечивал заданный коэффициент усиления как в полосе пропускания, так и за его пределами [8].
Активные фильтры на базе операционного усилителя строятся
для частот до 0,1 МГц.
Классификация:
1) фильтры низких частот (НЧ), пропускающие сигналы с частотой от ω = 0 до некоторого ωср (рис. 5.1, а);