Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроника. Лабораторный практикум. В 2 частях. Ч.1. Учебное пособие
.pdf
контролируйте при помощи осциллографа, подключив вход СН2
осциллографа к выходу усилителя (гнездо Х10), вход СН1 – к инвертирующему входу усилителя (гнездо Х4), а корпус осциллографа
«⊥» – к Х14. При необходимости подстройте амплитуду U
max
знакопеременного прямоугольного сигнала так, чтобы пилообразный
выходной сигнал интегратора стал симметричным относительно
нуля. Сохраните осциллограммы.
Снимите зависимость амплитуды выходного напряжения от ча-
стоты U
п max
= f (f
) при постоянном по амплитуде входном прямо-
сиг
угольном сигнале, используя схему на рис.42. Амплитуды напряжений замеряйте при помощи осциллографа. Результаты занесите
в табл.18.
Таблица 18
Амплитудно-частотная характеристика интегратора
№ f
1
…
n
R
1
CH1(X)
U
G
вх
Рис. 42. Принципиальная электрическая схема
, Гц U
сиг
C2
R
3
исследования интегратора
п max
CH2(Y)
R
н
, В
U
вых
71
Постройте зависимость амплитуды выходного напряжения от
частоты U
п max
= f(f
) и отметьте полосу пропускания.
сиг
Выключите питание модуля!
6.4. Содержание отчета
Отчет выполняется СТРОГО индивидуально и должен содержать
следующие пункты:
1. Наименование и цель работы.
2. Принципиальные электрические схемы для выполненных
экспериментальных исследований.
3. Результаты экспериментальных исследований: таблицы, экспериментально снятые и построенные характеристики, обработанные осциллограммы.
4. Выводы по работе.
Контрольные вопросы
1. Что называется операционным усилителем?
2. Каковы основные параметры операционного усилителя?
3. Какие допущения принимаются для операционного усилителя при
выводе коэффициента передачи с различными обратными связями?
4. Какой знак будет иметь выходное напряжение инвертирующего
усилителя, если на вход подано отрицательное напряжение?
5. Что такое амплитудная и амплитудно-частотная характеристики
усилителя?
6. Как определить полосу пропускания усилителя?
7. Как по амплитудной характеристике ОУ определить напряжение
смещения и коэффициент усиления?
8. Как получить на выходе интегрирующего усилителя пилообразное
напряжение?
Варианты заданий
Инвертирующий
№
1 20 10,0 200
усилитель
, кОм
R
4
форма
напряжения u
Интегратор
С2, нФ f
вх
72
Таблица 19
, Гц
сиг
№
Инвертирующий
усилитель
, кОм
R
4
форма
напряжения u
Интегратор
С2, нФ f
вх
сиг
2 50 10,0 200
3 100 10,0 200
4 150 10,0 400
5 200 10,0 400
6 20 10,0 400
7 50 6,8 200
8 100 6,8 200
9 150 6,8 200
10 200 6,8 400
11 20 6,8 400
12 50 6,8 400
13 100 10,0 200
14 150 10,0 200
15 200 10,0 200
16 20 10,0 400
17 50 10,0 400
18 100 10,0 400
19 150 6,8 200
20 200 6,8 200
21 20 6,8 200
22 50 6,8 400
23 100 6,8 400
24 150 6,8 400
, Гц
73
7. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5 «ИССЛЕДОВАНИЕ
КОМПАРАТОРОВ И МУЛЬТИВИБРАТОРА»
Цель работы. Изучение различных схем включения и характе-
ристик компараторов и мультивибратора на базе операционного
усилителя.
7.1. Краткие теоретические сведения
Простейший компаратор получается из ОУ, в котором отсутствует отрицательная обратная связь. Рассмотрим принцип работы
компаратора напряжений на основе ОУ, схема которого представлена на рис.43.
В основе компаратора лежит ОУ, на инвертирующий вход которого поступает входное напряжение U
соединен с источником опорного напряжения U
, а неинвертирующий вход
вх
. Принцип работы
оп
компаратора, представленного на рис.43, заключается в следу ющем:
когда входное напряжение U
больше опорного Uоп, выходное на-
вх
пряжение принимает значение отрицательного напряжения насыщения –U
U
не уменьшится ниже опорного напряжения Uоп, в этом случае
вх
навыходе будет напряжение положительного насыщения +U
и остается неизменным, пока входное напряжение
нас
нас
.
На рис.43 представлен компаратор с инвертирующим выходным
сигналом по отношению к входному сигналу.
а) б)
U
U
вх
U
U
оп
U
вых
вых
u
вх
U
оп
Рис. 43. Принципиальная электрическая схема компаратора (а)
и временная диаграмма, поясняющая принцип работы (б)
74
t
t
а) б)
U
вых
R
U
вх
U
оп
1
R
2
U
вых
U
оп
U
вх
Рис. 44. Принципиальная электрическая схема двухвходового
компаратора (а) и его амплитудная характеристика (б)
Существует много разновидностей компараторов, но в их основе
лежат две схемы: одновходовая и двухвходовая. Одновходовая схема
позволяет сравнивать разнополярные напряжения по модулю, т. е.
по абсолютной величине. Используя двухвходовый компаратор,
сравнивают два напряжения с учетом знака.
Главным недостатком одновходового компаратора является необходимость использования стабилизированного отрицательного
напряжения, что приводит к усложнению схемы. Поэтому он ненашел широкого применения.
Наибольшее распространение получила схема двухвходового
компаратора, в котором отсутствует необходимость в отрицательном напряжении. Схема данного компаратора представлена
на рис.44, а.
В основе двухвходового компаратора лежит дифференциальный
усилитель, в котором отсутствует отрицательная обратная связь,
поэтому разность между входным напряжением U
напряжением U
усиливается ОУ. При достижении входным на-
оп
и опорным
вх
пряжением уровня опорного напряжения происходит изменение
полярности напряжения на выходе ОУ с U
наоборот. При U
= 0 компаратор фиксирует момент перехода
оп
+
вых max
на U
–
вых max
или
входного напряжения через 0. В данной схеме входные резисторы
R
и R2 имеют одинаковое значение. Амплитудная характеристика
1
данного компаратора представлена на рис.44, б.
75
Во время использования компаратора в схемах, где входное
напряжение медленно меняется и амплитуда сигнала очень близка
к опорному напряжению, шумы на входном выводе могут вызвать ложные срабатывания компаратора, и на его выходе могут
появиться дополнительные импульсы, что продемонстрировано
на рис.45.
Для устранения таких ложных срабатываний компаратора, известных как «дребезг контактов», в его схему вводят некоторый гистерезис путем добавления положительной обратной связи (ПОС)
к операционному усилителю. Данная схема получила название
триггера Шмитта.
Уровни напряжения, при которых происходит переключение
триггера Шмитта, называются верхним уровнем (порогом) сраба-
тывания триггера U
триггера U
.
нп
и нижним уровнем (порогом) срабатывания
вп
Принципиальная электрическая схема триггера Шмитта и его
амплитудная характеристика представлены на рис.46.
Временные диаграммы, поясняющие принцип работы триггера
Шмитта, представлены на рис.47.
Рассмотрим инвертирующий триггер Шмитта. В исходном
состоянии входное напряжение не превышает верхнего уровня
76
u
U
U
вых
Ложные
срабатывания
Рис. 45. Временная диаграмма, поясняющая
принцип работы двухвходового компаратора
вх
U
оп
t
t
( )
а) б)
R
U
вх
U
оп
1
R
2
R
3
U
вых
U
U
U
вых
U
вп
нп
оп
Рис. 46. Принципиальная электрическая схема триггера Шмитта (а)
и его амплитудная характеристика (б)
u
U
U
вп
вх
U
нп
t
U
вых
t
Рис. 47. Временные диаграммы, поясняющие
принцип работы триггера Шмитта
U
вх
срабатывания триггера Uвп, поэтому на выходе присутствует положительное напряжение насыщения U
ниже положительного напряжения питания U
ное напряжение достигнет верхнего порога переключения U
(примерно на 1…2 В
нас+
), когда вход-
пит+
вп
выходное напряжение резко упадет до уровня отрицательного
напряжения насыщения U
тельного напряжения питания U
(примерно на 1…2 В выше отрица-
нас–
). Верхний уровень напряже-
пит–
ния переключения триггера Шмитта определяется в соответствии
с выражением (44):
RU U
= +
UU
вп оп
2
+
нас+ оп
+
RR
23
.
(44)
77
,
Далее триггер остается в устойчивом состоянии до тех пор, пока
( )
UU
( )
23
входное напряжение не станет меньше нижнего порога срабатывания U
пряжение насыщения U
, а на выходе триггера не установится положительное на-
нп
. Нижний порог срабатывания триггера
нас+
определяется выражением (45):
RU U
= −
нп оп
2
+
−
на опс
+
RR
23
.
(45)
Петля гистерезиса может быть изменена подбором резисторов
и R3. При этом ширина петли гистерезиса U
R
2
разностью верхнего порога срабатывания U
срабатывания U
в соответствии с выражением (46):
нп
=−=
U UU
гис вп нп
RU U
2
+
нас+ нас
+
RR
вп
определяется
гис
и нижнего порога
−
.
(46)
Триггеры Шмитта на ОУ являются основой для построения
различных генераторов импульсов, поэтому важнейшими характеристиками ОУ, работающих в импульсных схемах, является быстродействие, которое зависит от задержек срабатывания и времени
нарастания выходного напряжения.
Автоколебательным мультивибратором, или мультивибратором,
называют генератор прямоугольных импульсов. В его основе лежит
триггер Шмитта, или компаратор с гистерезисом, но в отличие от
триггера в мультивибраторе напряжение на инвентирующем входе
формируется интегрирующей цепочкой R
C (рис.48).
1
Данный мультивибратор состоит из ОУ, который охвачен положительной обратной связью через резисторы R
обратной связью с помощью интегрирующей цепочки R
и отрицательной
2R3
C.
1
В основе работы мультивибратора лежит триггер Шмитта,
который создается ПОС с помощью резисторов R
и R3. Та-
2
ким образом, в момент подачи питания конденсатор полностью
разряжен, т.е. на инвертирующем входе ОУ напряжение равно
нулю. В тоже время на выходе ОУ вследствие неидеального ОУ
присутствует некоторое положительное напряжение, часть которого через ПОС R
и R3 поступает на неинвертирующий входОУ.
2
78
R
1
С
R
2
U
вых
R
3
Рис. 48. Принципиальная электрическая
схема мультивибратора
Далее происходит усиление этого напряжения, а на выходе
ОУ– дальнейший рост напряжения. Напряжение с выхода ОУ
поступает также через цепочку R
C, но вследствие того, что
1
интегрирующая цепочка задерживает сигнал, рост напряжения
на конденсаторе С, а следовательно и на инвертирующем входе,
будет происходить медленнее, чем на неинвертирующем. И врезультате разность напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах будет расти, а следовательно, будет происходить
рост выходного напряжения.
В некоторый момент времени напряжение на конденсаторе U
(а также на инвертирующем входе) достигнет напряжения верхнего
порогового уровня U
U
скачком станет равным отрицательному напряжению насы-
вых
щения U
. В результате этого ток через резистор R1 изменится
нас–
триггера Шмитта и выходное напряжение
вп
на противоположный, а конденсатор С начнет разряжаться. Разряд
конденсатора будет происходить до напряжения нижнего порога переключения U
триггера. После этого также скачкообразно
вп
произойдет переключение выходного напряжения с отрицательного насыщения к положительному напряжению насыщения U
нас+
триггера Шмитта. Данные переключения иллюстрирует временная
диаграмма (рис.49).
C
79
1
23
RR
1
U
+E
к
t
и1
t
и2
U+
вых_max
t
1
t
2
t
U–
3
вых_min
t
Т
–E
к
χU+
вых_max
t
χU–
вых_min
χU+
вых_max
t
вых_min
t
2
χU–
t
1
t
3
Рис. 49. Временная диаграмма, поясняющая
принцип работы мультивибратора
Частота выходных импульсов мультивибратора зависит от посто-
янного времени интегрирующей цепочки R
C, а также от ширины
1
петли гистерезиса, и в общем случае определяется в соответствии
с выражением (47):
где
β=
=
f
2 Cln
R
1
R
2
.
+
,
1
1
(47)
+β
−β
В случае равенства сопротивлений резисторов в цепи ПОС R2 и
R
выражение (47) примет вид в соответствии с выражением (48):
3
≈
2, 2 CfR
.
(48)
1
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]