Литература

1. Герасимов В.Г. и др. «Основы промышленной электроники», М.; «Высшая школа», 1986.

2. Забродин Ю.С. «Промышленная электроника» М.; «Высшая школа», 1982.

Контрольные вопросы

1. Назначение выпрямителей. Какими параметрами характе­ризуются выпрямители?

2. Какие достоинства и недостатки схем выпрямителей: однополупериодного? Двухполупериодного со средней точкой? Мостового?

3. Назначение фильтров. За счёт каких свойств С и L осу­ществляется сглаживание пульсаций напряжения фильтрами?

4. Внешние характеристики выпрямителей. Почему уменьша­ется напряжение выпрямителя при увеличении тока потребителя?

5. Выпрямители с какими фильтрами имеют наименьшие пуль­сации? Почему?

Студент				Группа		Выполнено
Курс						Сдано

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

Исследование источников питания электронных устройств

Блок – схема установки

Рис. 1. Схема исследуемых блоков выпрямителей (БВ)

Однополупериодный выпрямиетль (БВ1)

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой (БВ2)

Двухполупериодный мостовой выпрямитель (БВ3)

Схема исследуемых блоков фильтров (БФ1)

С – фильтр CLC– фильтр

Опыт 1 Снятие внешней характеристики двухполупериодного мостового выпрямителя

Таблица 1

Тип фильтра	Rн		х.х.	Rmax	Rном	Rmin
Без фильтра	Id	мА
	Ud	В
С фильтр	Id	мА
	Ud	В
CLC фильтр	Id	мА
	Ud	В

Рис. 2

ОПЫТ 2

Исследование формы выходного напряжения разных выпрямителей

Рис. 3

а) БВ1 U_d=____ В б) БВ2U_d=____ В в) БВ3U_d=____ В

ОПЫТ 3

Исследование формы выходного напряжения разных фильтров

р1 = ________ р2 = ________ Рис. 4

Выводы по работе: ___________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10. ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ УСТРОЙСТВ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

Цель лабораторной работы № 10.

Целью работы является изучение принципа работы и основных характеристик импульсных устройств на операционных усилителях (ОУ).

Теоретические основы лабораторной работы № 10.

Интегральные операционные усилители являются универсальными элементами, на основе которых можно строить различные функциональные узлы аналоговой аппаратуры. Эта универсальность достигается за счет избыточности активных элементов в их схемах. На практике наиболее часто ОУ используются с обратными связями (ОС), при наличии которых коэффициент передачи устройства определяется только отно­шением значений элементов цепи ОС. При соответствующем выборе внешних элементов ОУ может осуществлять усиление, сложение, вычитание, дифференцирование, интегрирование сигналов, а также формировать различные функциональные зависимости.

При работе ОУ в импульсном режиме уровни его входных сигналов превышают значения, соответствующие линейной области амплитудной характеристики, состоящей из наклонного и двух горизонтальных участков. Импульсный режим работы ОУ характеризуется горизонтальными участками амплитудной характеристики. При изменении напряжения входного сигнала выходное напряжение ОУ остается практически постоянным и определяется напряжениями либо +u_вых, либо -u_вых, близкими соответ­ственно к напряжениям +Ек и -Ек источников питания.

Идеальный операционный усилитель имеет основные свойства: входные токи бесконечно малы; дифференциальное входное напряжение равно нулю, входное сопротивление и коэффициент усиления равны ∞.

Рассмотрим наиболее распространенные импульсные устройства, реализующиеся на основе ОУ.

Компаратор. Компаратором называют устройство, осуществ­ляющее сравнение измеряемого входного напряжения (u_вх) с опор­ным напряжением (U_оп). В каче­стве компаратора часто исполь­зуют ОУ с разомкнутой ОС (рис. 1). На вход «–» компаратора подается входной сигнал u_вх, на его вход «+» – опор­ный сигнал U_оп. В момент равен­ства напряжений uвх и U_оп компа­ратор находится в неустойчивом линейном режиме. При превыше­нии входным сигналом uвх значе­ния опорного напряжения U_оп вы­ходное напряжение компаратора изменяется от +uвх до –U_оп. Пере­ключение компаратора происходит с некоторой задержкой, которая определяется временем перезаряда паразитных емкостей ОУ. При U_оп = 0 компаратор фиксирует момент перехода входного напряжения че­рез нулевой уровень. В этом ре­жиме компаратор получил назва­ние «нуль-компаратор». Если на­пряжения u_вх и U_оп превышают максимально допустимые для дан­ного типа ОУ уровни входных сиг­налов, на входе компаратора уста­навливают делители напряжения.

Компараторы нашли широ­кое применение в преобразовате­лях аналоговых сигналов в цифро­вые.

Инвертирующий сумматор. Инвертирующий сумматор осуществляет суммирование входных сигналов (рис. 2). Благодаря свойствам идеального ОУ, ток от источников сигнала на его вход «–» не ответвляется и через цепь ОС протекает сумма токов всех источников: i₁ + i₂ = i₃. Кроме того, разность напряжений между входами ОУ равна нулю и напряжение в точке А так же равно нулю: u_вх1/R1 + u_вх2/R2 = –u_вых/R3. Если выбрать номиналы резисторов R1 = R2 = R, то выходное напряжение будет определяться соотношением: u_вых = – (R3/R)( u_вх1 + u_вх2). Наиболее часто инвертирующие сумматоры используются в качестве усилителя с широким диапазоном изменения нулевой точки. При подаче на входы инвертирующего сумматора постоянного и переменного синусоидального напряжений на выходе устройства будет сформирован усиленный синусоидальный сигнал, имеющий постоянную относительно общего провода составляющую.

Триггер Шмитта. Триггер Шмитта – устройство, обладающее двумя устойчивыми состояниями (рис. 3). Триггер Шмитта как правило выполняется на основе ОУ с положительной ОС. Триггер Шмитта обладает так называемой гистерезисной передаточной характеристикой. Переход триггера Шмитта из одного устойчивого состояния, характеризуемого выходным напряжением +u_вых, в другое устойчивое состояние с выходным напряжением –u_вых и возврат его в исходное состояние осуществляется, при входных напряжениях u_вх, отличающихся от опорного напряжения U_оп на величину напряжения собственного порога срабатывания Uп, определяемого соотношением: Uп = Uн/2 = βu_вых, где β = R1/(R1+R2) –коэффициент положительной ОС. Напряжение Uн = 2Uп является напря­жением гистерезиса триггера Шмита. Наличие гистерезиса в триггере Шмитта позволяет повысить помехоустойчивость устройства при обработке входного сигнала на фоне помех.

Если опорное напряжение на входе триггера Шмитта отсутствует (U_оп = 0), устройство переключается из одного устойчивого состояния в другое устойчивое состояние по собственному порогу.

Из-за наличия большого коэффициента усиления и гистерезисной передаточной характеристики триггеры Шмитта нашли широкое применение в качества преобразователей напряжения. При подаче на вход «–» триггера Шмитта напряжения синусоидальной формы на выходе устройства будет сформировано напряжение прямоугольной формы. Варьируя величину опорного напряжения U_оп, можно в широких пределах изменять скважность выходных импульсов напряжения триггера Шмитта. При U_оп = 0, скважность этих импульсов напряжения равна Q = 2 (рис. 4).

Автогенераторный мультивибратор (рис. 5). Автогенераторный мультивибратор предназначен для генерирования прямоугольных импульсов напряжения. Он обладает двумя неустойчивыми состояниями, работает в режиме самовозбуждения и не требует внешнего входного сигнала. В качестве автогенераторного мультивибратора обычно используют ОУ с положительной ОС и время задающей RC цепью, подключенной к инвертирующему входу устройства. Работа автогенераторного мультивибратора обеспечивается цепью положительной ОС приводящей к лавинообразному переходу из одного состояния в другое, и цепью отрицательной ОС, определяющей период возникающих колебаний. Когда потенциал на входе «–» автогенераторного мультивибратора достигнет значения –u_выхR1/(R1+R2) устройство переключается и его выходное напряжение скачком изменяет своё значение с –u_вых до +u_вых. При этом потенциал на инвертирующем входе устройства начинает изменяться в противоположную сторону, пока не достигнет значения +u_выхR1/(R1+R2).

Автогенераторный мультивибратор переключается в первоначальное состояние (рис. 5). Частота колебаний выходного напряжения автогенераторного мультивибратора определяется соотношением: f = 1/2RCℓn(1+2R1/R2).

Ждущий мультивибратор формирует на выходе прямоугольный импульс напряжения определенной длительности при воздействии на вход схемы короткого запускающего импульса (рис. 6). В отличии от автогенераторного мультивибратора ждущий мультивибратор содержит дополнительно цепь смещения (резистор R2) и цепь запуска (конденсатор С2, резистор R и диод VD 1). При отсутствии на входе «+» ждущего мультивибратора запускающего импульса uз его выходное отрицательное напряжение определяется положительным напряжением Е источника питания, поступающим через резистор R2 на вход «–» устройства. При подаче на вход «–» ждущего мультивибратора запускающего импульса uз его выходное напряжение скачком принимает значение +u_вых, которое поддерживается за счет цепи положительной ОС (резисторы R1 и R4). При этом начинается заряд конденсатора С1 и напряжение u1 на входе «+» устройства увеличивается (рис. 6б). В момент достижения равенства напряжений u1 = u2 происходит скачкообразное изменение выходного напряжения ждущего мультивибратора и последний переходит в исходное состояние.

Интегратор. Интегратором называется устройство, выходное напряжение которого определяется выражением u_вых = Ku_вхdt + U₀ (t=0),

где К – постоянный коэффициент; U₀ (t=0) - постоянная составляющая определяющая начальное условие интегрирования (рис. 7). Точное аналоговое интегрирование может быть осуществлено ОУ с емкостной ОС. Благодаря большому коэффициенту усиления и малому входному току напряжение на входе «–» ОУ близко к нулю, а токи во входной цепи и цепи ОС приблизительно равны. При этом:

u_вых(t) = –(1/RC) u_вхdt

При подаче на вход интегратора постоянного положительного напряжения +u_вх, выходное напряжение u_вых будет линейно возрастать по абсолютной величине от 0 до –U_{вых m} (рис. 7б). Варьируя номиналы элементов RС, можно изменять постоянную времени интегратора. Как правило, в интегратор вводят ключ К, замыкая который, быстро разряжают конденсатор С.

Если ко входу интегратора приложить постоянное положительное напряжение и периодически разряжать конденсатор С путем подачи на вход управления ключа К коротких импульсов напряжения, на выходе устройства будут сформированы импульсы напряжения пилообразной формы (рис. 8a).

Подавая на вход устройства напряжения различной формы, на выходе интегратора можно сформировать напряжение со сложным законом изменения во времени. Если на вход устройства подать периодическое знакопеременное напряжение прямоугольной формы, конденсатор C будет периодически заряжаться и разряжаться, и на выходе интегратора будет сформировано напряжение треугольной формы (рис. 8б).

Краткое описание применяемого оборудования.

Лабораторная работа выполняется на на­стольном универсальном стенде, включаю­щем несколько источников входного напря­жения контрольно-измерительные приборы и органы управления (рис. 9). На лицевой панели стенда расположёны измерительные стрелочные приборы 1 и 2 для определения абсолютной величины соответственно вход­ного и выходного напряжений исследуемых схем, переключатель 3 входного напряжения изме­рительного стрелочного прибора 1, по­тенциометры 4 и 5 установки величины постоянного напряжения регулируемых источников, светодиодные индикаторы 6 и 7 полярности измеряемых постоянных напряжений, переключатели 8 и 9 режимов работы регулируемых источников, функциональные зоны 10, 11, 12, 13 и 14 исследуемых схем с органами управления, сменная панель 15 с условным изображением исследуемой схемы, глазок 16 цифрового индикатора электронного секундомера и выключатель 17 стенда. В качестве дополнительного контрольно-измерительно­го прибора используется электронный осциллограф.

Изложение методики проведения лабораторной работы № 10.

1. Ознакомиться с описанием универсального стенда.

2. Исследовать компаратор, для чего установить сменную панель № 1.1. Поставить в функциональной зоне 10 переключатель в положение «К».

Примечание. Здесь и далее номера переключателей, функциональных зон, измерительных приборов и индикаторов указаны в соответствииc рис. 9.

3. Установить переключатель 3 в положение «вх.2», а пере­ключатели 8 и 9 – в положение «». Включить стенд тумблером «СЕТЬ». С помощью потенциометра 5 установить на входе «+» компаратора напряжения U_оп = +1 В, контролируя его по измерительному, стрелочному прибору 1.

4. Установить переключатель 3 в положение «вх.1» последовательно устанавливая потенциометром 4 на входе «–» компаратора значения напряжения u_вх, равные –3 В; 0 В; +0,9 В; +1,1 В; +3 В, исполь­зуя показания измерительных стрелочных приборов 1, 2 и индикаторов 6, 7, определить передаточную характеристику u_вых = f (u_вх) исследуемой схемы. Результаты экспериментов занести в таблицу 1 отчета. Выключить стенд тумблером «СЕТЬ».

5. Исследовать инвертирующий сумматор, для чего установить сменную панель № 3. Поставить в функциональной зоне 12 переключатель в положение «R4». Установить переключатель 9 в положение «~», переключатель 3 остается в положении «вх.1», переключатель 8 остается в положении «». Включить стенд и осциллограф соответствующими тумблерами «СЕТЬ». Используя показания измерительных стрелочных приборов 1, 2 и индикаторов 6, 7, последовательно устанавливая потенциометром 4 на входе 1 инвертирующего сумматора значения напряжения u_вх1 равные +0,5 В; 0 В; – 0,5 В; – 1,5 В, снять осциллограммы входных (гнезда «1», «» и «2», «») и выходных (гнезда «3», ««) напряжений исследуемой схемы. Результаты экспериментов занести в отчет. Включить стенд тумблером «СЕТЬ».

6. Исследовать триггер Шмитта, для чего установить сменную панель № 4. Поставить переключатель 9 в положение «», переключатель 3 – в положение «вх.2», переключатель 8 остается в поло­жении «». Включить стенд тумблером «СЕТЬ». С помощью потенцио­метра 5 установить на входе «2» триггера Шмитта напряжение U_оп = 1 В, контролируя его по измерительному стрелочному прибору 1. Установить переключатель 3 в положение «вх.1», а переключатель функциональной зоны 13 в положение «R3» (R3=220 Ом). Последовательно устанавли­вая потенциометром 4 на входе «1» триггера Шмитта значения напряже­ния u_вх, равные – 3 В; 0 В; +l В;+ u'_вх; +3 B; +1 В; +u''_вх; –3 В, используя показания измерительных стрелочных приборов 1, 2 и индика­торов 6, 7 определить при Rос = R3 передаточную характеристику триг­гера Шмитта u_вых = f (u_вх) исследуемой схемы. Результат экспериментов занести в таблицу табл. 2 отчета. Определить и записать в отчет зна­чения напряжения гистерезиса U'н.

Примечание. Здесь и далее u'_вх – входное напряжение триггера Шмитта, при котором его выходное напряжение изменяется со значения +u_вых до значения – u_вых; u''_вх – входное напряжение триггера Шмитта, при котором его; выходное напряжение изменяется со значения –u_вых до значения +u_вых.

7. Поставить переключатель функциональной зоны 13 в положение «R4» (R4 = 10 кОм). Последовательно устанавливая потенциометром 4 на входе «1» триггера Шмитта значения напряжения u_вх, равные – 3 B; 0 В; +1 В; +u'_вх; +3 В; +1 В; + u''_вх; – 3 B, используя показания измерительных стрелочных приборов 1, 2 и индикаторов 6, 7. Определить при Roc = R4 передаточную характеристику триггера Шмитта u_вых = f (u_вх) исследуемой схемы. Результаты экспериментов занести в таблицу 3 отчета. Определить и записать в отчете значения напряжения гистерезиса Uн'.

8. Поставить переключатель 3 в положение «вх.2» переключатель 8 – в положение «~», переключатель 9 остаётся в положении «». Последовательно устанавливая потенциометром 5 на входе «2» триггера Шмитта напряжение, величиной – 0,4 В; 0 В; +0,4 В, снять и изобразить в отчете осциллограммы входных (гнезда «1», «« и «2», ««) и выходных (гнезда «3», ««) напряжений исследуемой схемы, учитывая найденное в п. 1.2.4.7 значение напряжения гистерезиса Uн». Выключить стенд тумблером «СЕТЬ».

9. Исследовать автогенераторный мультивибратор, для чего установить сменную панель № 2.2. Включить стенд тумблером «СЕТЪ». Последова­тельно устанавливая функциональной зоне 11 переключатель в положение «С1» (С1=0,1 мкФ), либо в положение «С2» (С2 = 0,025 мкФ), снять и изобразить в отчете осциллограммы напряжений u1(t) (гнезда «1», «»), u2(t) (гнезда «2», «») и u_вых(t) (гнезда «3», «»).

Примечание. Выполнение п. 1.2.4.9 проводить при одном и том же положении ручки «Длит. развертки» осциллографа. Устойчивого изображения на его экране следует добиваться ручкой «Уровень синхр.».

Выключить стенд тумблером «СЕТЬ».

10. Исследовать ждущий мультивибратор, для чего установить сменную панель № 2.1. Установить в функциональной зоне 11 обе кнопки переключатель В1 в верхнее положение, а переключатель В2 в положение «1». Включить стенд тумблером «СЕТЬ». Снять и изобразить в отчете осциллограмму запускающих импульсов напряжения u3(t) (гнезда «2», «»). Последовательно устанавливая в функциональной зоне 11 переключатель В1 в положение «С1», либо «С2» снять и изобразить в отчете осциллограммы u1(t) (гнезда «1», «») и u_вых(t) (гнезда «3», «»). Поставить в функциональной зоне 11 переключатель В2 положение «2» и убедиться, что без запускающих импульсов напряжения u3 на входе ждущего мультивибратора напряжение прямоугольной формы на его выходе отсутствует. Выключить стенд и осциллограф соответствующими тумблерами «СЕТЬ».

11. Исследовать; интегратор, для чего установить сменную панель № 5.2. Поставить в функциональной зоне 14 переключатель В1 в положение «20 с» и включить стенд тумблером «СЕТЬ», при этом на вход интегратора будет подано постоянное напряжение положительной полярности. Последова­тельно устанавливая в функциональной зоне 14 переключатель В2 в положение «С1» либо «С2», пользуясь показаниями измерительного стрелочного прибора 2 и электронного секундомера 16, заполнить таблицу 4 и построить в отчете временные диаграммы выходного напряжения интегратора. Выключить стенд тумблером «СЕТЬ».

12. Установить сменную панель № 5.1 и соответствующими тумблерами «СЕТЬ» включить стенд и осциллограф. В функциональной зоне 14 поставить переключатель В1 в положение «», при этом на вход интегратора будут поданы импульсы напряжения прямоугольной формы. Снять с помощью осциллографа и изобразить в отчете временные диаграммы напряжений на входе (гнезда «1», «») и выходе (гнезда «2», «») интегратора.

13. В функциональной зоне 14 поставить переключатель В1 в положение «», при этом на вход интегратора будет подано постоянное напряжение положительной полярности, а на вход управления; ключа К будут поданы импульсы напряжения с дополнительного генератора. Снять с помощью осциллографа и изобразить в отчете временные диаграммы напряжений на входе (гнезда «1», «») и выходе (гнезда «2», «») интегратора. Выключить соответствующими тумблерами «СЕТЬ» стенд и осциллограф.

Указания к оформлению отчета.

Отчет должен содержать временные диаграммы входных и выходных напряжений, а также передаточные характеристики исследуемых в лабораторной работе устройств.

Вопросы для самопроверки.

Что называется операционным усилителем и каковы его свойства?

Укажите различие между инвертирующим и неинвертирующим входами операционного усилителя.

Какое устройство называется компаратором и каковы его свойства?

Какое устройство называется инвертирующим сумматором и каковы его свойства?

Какое устройство называется триггером Шмитта и каковы его свойства?

Какое устройство называется автогенераторным мультивибратором и каковы его свойства?

В чем состоит отличие ждущего мультивибратора от автоколебательного мультивибратора?

Какое устройство называется интегратором и каковы его свойства?

Поясните, каким образом с помощью интегратора могут быть сформированы напряжения треугольной или пилообразной формы?