6. Требования к оформлению и содержанию отчета

Отчет должен содержать:

6.1. Исследуемую схему устройства по каждому пункту.

6.2. Характеристики исследуемого устройства (осциллограммы сигналов в характерных точках, основные параметры выходного сигнала).

6.3. Графики результатов исследований, в соответствии с заданием.

6.4. Выводы по результатам работы.

7. Критерии результативности выполнения работы

Результаты лабораторной работы считаются удовлетворительными, если студенты:

7.1. Выполнили в полном объеме программу работы и представили отчет, содержащий результаты измерений и проведенного моделирования.

7.2. Сумели объяснить представленные в отчете результаты.

7.3. Приобрели навыки работы с моделирующей программой на примерах схем усилителей без и с обратными связями.

7.4. Ответили на все контрольные вопросы.

8. Контрольные вопросы

8.1. Принцип работы блокинг-генератора.

8.2. Чем определяется длительность импульса блокинг-генератора.

8.3. Причина появления обратного выброса напряжения.

8.4. Влияние диодно-резистивной цепочки на работу блокинг-генератора.

8.5. Как перевести блокинг-генератор в ждущий режим.

8.6. Влияние параметров импульсов запуска на работу устройства в ждущем режиме.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР

1. Цель работы

Изучение принципа построения и процессов, протекающих в функциональном генераторе, а также исследование частотных спектров периодических сигналов прямоугольной, треугольной и квазисинусоидальной формы.

2. Задачи работы

Основными задачами работы являются:

2.1. Изучение теоретических основ по схемотехнике, принципов построения и процессов, протекающих в функциональном генераторе, а также исследование частотных спектров периодических сигналов прямоугольной, треугольной и квазисинусоидальной формы.

2.2. Приобретение опыта работы с современным техническим оборудованием и компьютерными измерительными приставками.

2.3. Освоение компьютерных программ, моделирующих работу электронных устройств.

3. Описание схемы лабораторной установки

Работа состоит из моделирующей и схемотехнической (практической) частей.

Оборудование, используемое для выполнения работы, включает: персональный компьютер, осциллографическую приставку, генератор сигналов низких частот универсальный, лабораторный стенд. Схема лабораторной установки включает в себя последовательно соединенные генератор треугольного и прямоугольного напряжения и фильтр низкий частот (ФНЧ) (рис. 3.1). Генератор треугольного и прямоугольного напряжения состоит из последовательно включенных интегратора и триггера Шмитта, выполненных на основе операционных усилителей соответственно DА1 и DА2. На выходе интегратора формируется напряжение пилообразной формы, на выходе триггера – прямоугольной формы. Режим работы интегратора определяется напряжением смещения U см, устанавливаемым потенциометром R2 и служащим для регулировки скважности прямоугольный импульсов. Потенциометр R6 обеспечивает изменение постоянной интегрирования, что в свою очередь изменяет частоту автоколебаний. Потенциометр R8 служит для установки порога срабатывания триггера Шмитта, то есть для регулировки амплитуды пилообразного напряжения. Для формирования квазисинусоидального сигнала из напряжения треугольной или прямоугольной формы служит ФНЧ, выполненный на операционном усилителе А3 и реализующий передаточную функцию звена первого порядка. Переключатель S1 обеспечивает подключение ФНЧ либо выхода интегратора, либо триггера Шмитта.

Рис. 3.1. Принципиальная схема лабораторной установки

3. Краткие теоретические сведения

Генераторы, формирующие одновременно треугольное, прямоугольное и синусоидальное напряжения, называют функциональными. Одна из наиболее простых схем генераторов прямоугольного и треугольного напряжений приведена на рис. 3.1.

Когда входное напряжение интегратора достигает порога срабатывания триггера Шмита, напряжение на выходе триггера Шмитта скачком меняет свой знак. Вследствие этого напряжение на выходе интегратора начинает изменяться в противоположную сторону, пока не достигает другого порога срабатывания.

Амплитуда треугольного напряжения U_Т зависит только от величины порога срабатывания триггера и равна

где U_П – амплитуда выходного напряжения усилителя ОУ1.

Изменяя постоянную интегрирования, можно регулировать период автоколебаний, равный удвоенному времени, которое необходимо интегратору, чтобы его выходное напряжение изменялось от -U_Т до +U_Т. Отсюда следует

Важнейшей характеристикой сигналов, формируемых функциональным генератором является их частотный спектр.

Для периодического сигнала f(t) можно записать его разложение в ряд Фурье:

где а₀ , а_n и b_n определяются по формулам:

Т – период функции f(t); - круговая частота первой гармоники.

Широкое распространение имеет и другая форма записи ряда Фурье:

,

коэффициенты которой вычисляются с учетом соотношений

, ;

для всех n = 1, 2,… Совокупность величин d_n и φ_n принято называть соответственно спектром амплитуд и спектром фаз для исходного сигнала f(t). Например, для периодической последовательности импульсов прямоугольной формы имеющих амплитуду А, период следования Т и коэффициент заполнения (величина обратная скважности), спектр амплитуд определяется выражениями

; ,n= 1, 2…

и графически изображается в виде отрезков длины d_n, проведенных перпендикулярно к оси частот, на которую наносятся значения n.

Частотный спектр сигнала является дискретным, расстояния между соседними спектральным линиями одинаковы и равны основной частоте.

.

Энергия периодического сигнала зависит лишь от вида частотных составляющих спектра амплитуд.

Отсюда приходим к следующему ряду Фурье:

Прохождение периодического сигнала через линейную цепь (например, ФНЧ) приводит к изменению как его спектра амплитуд, так и спектра фаз. Если передаточная функция линейной цепи равна (p), а ее входной сигнал f(t) имеет разложение в ряд Фурье вида, то реакция х(t) на выходе этой системы описывается выражением

где w(0) и w(n₁) – значения АЧХ w(), вычисленные в точках =0 и =n₁ соответственно; _n – значения фазочастотной характеристики (), вычисленные для дискретных частот n₁.

3. Программа выполнения работы

5.1. Скопировать предоставленную преподавателем схему-файл в собственный рабочий каталог.

5.2. Запустить пакет Circuit Maker, открыть схему «function». Провести исследование влияния резисторов R2, R6, R8 на частоту и форму выходного сигнала (S1 – в верхнем положении). Синтезировать генератор с частотой выходного сигнала 1 кГц. При подборе частоты генератора использовать стандартные значения номиналов резисторов.

5.3. Используя анализатор спектра, зафиксировать спектр выходного сигнала при номиналах резисторов R2, R6 и R8, соответствующих 25%, 50% и 75% от их максимального значения. Сделать выводы о влиянии параметров схемы на ее спектр.

5.4. Повторить пп. 5.2-5.3 при нижнем положении S1. Сравнить полученные данные, сделать выводы.

5.5. Включить лабораторный стенд. Получить осциллограммы напряжений в характерных точках схемы (U_Т , U_П , U_ФНЧ) для двух положений переключателя S1.

5.6. Снять и построить зависимость частоты и скважности прямоугольных импульсов генератора от величины напряжения смещения

, для двух крайних положений движка потенциометраR6.

5.7. Снять и построить зависимость амплитуды треугольного напряжения генератора от величины порога срабатывания триггера Шмитта.

5.8. Снять и построить зависимость частоты автоколебаний генератора от величины постоянной времени интегратора.

Примечание: п.п. 5.5, 5.6 выполнять при нулевом напряжении смещения U_СМ, что соответствует среднему положению движка потенциометра R2.

5.9. Определить с помощью анализатора гармоник частотные спектры сигналов генератора прямоугольной и треугольной формы, принимая в каждом случае

а) Q = 10; б) Q = 2.

Частоту автоколебаний при этом поддерживать постоянной, а требуемую величину скважности устанавливать с помощью потенциометра R2 и контролировать по осциллографу.

Исследовать характер изменения спектров сигналов при изменении скважности S.

5.10. Оценить и сопоставить эффективность подавления высших гармоник в спектре квазисинусоидального сигнала на выходе ФНЧ при подключении к нему напряжения прямоугольной и треугольной формы для двух крайних положений движка потенциометра R6 и U_СМ = 0.