Часть 2

Рис. 5.13. Мультивибратор на ОУ

–Включите тумблер "Сеть" базового блока.

–Зарисуйте форму напряжений на выходе схемы и на конденсатореС1. Определите период и рассчитайте частоту колебаний выходного напряжения. Повторите измерения и расчеты для емкости конденсатора С1=0,033 мкФ.

5.4. Выполнение работы с использованием программы моделирования электронных схем “Electronics Workbench”.

5.4.1.Для снятия передаточной характеристики ОУ с ООС в схеме неинвертирующего усилителя соберите схему, приведенную на рис. 5.14. Активизируйте схему. Изменяя входное напряжение ОУ и фиксируя значение выходного напряжения, снимите прямую ветвь передаточной характеристики. Необходимое количество измерений установите самостоятельно. Измените поляр-

ность включения генератора входного напряжения путем удаления его из схемы, переворота на 180о и последующего подключения, и аналогично снимите обратную ветвь передаточной характеристики. Постройте передаточную характеристику ОУ и определите коэффициент усиления и рабочий диапазон входных и выходных напряжений.

5.4.2.Для снятия передаточной характеристики ОУ с ООС в схеме инвертирующего усилителя, соберите схему, приведенную на рис. 5.15. Повторите измерения п. 5.4.1. Постройте передаточную характеристику на том же графике и определите коэффициент усиления и рабочий диапазон входных и -вы ходных напряжений. Сделайте выводы.

40

5.4.3. Для исследования интегрирующего усилителя соберите схему, изображенную на рис. 5.16. Отметим, что в этой и последующих схемах -ис пользуется модель «идеального» ОУ из библиотекиdefault, для которого не требуется устанавливать источники питания. Установите форму выходного напряжения функционального генератора– прямоугольный импульс, частоту 1 кГц, коэффициент заполнения (Duty Circle) 50 %, амплитуду 500 мВ, смещение (Offset) 0. Активизируйте схему. Зарисуйте изображение входного и выходного сигналов с экрана осциллографа. Сделайте выводы.

5.4.4. Для исследования дифференцирующего усилителя соберите схему, изображенную на рис. 5.17. Здесь резистор 10 кОм, включенный последовательно с конденсатором, необходим для правильного моделирования, в реальных схемах он не требуется. Установите параметры генератора, как и в п. 5.2.3.

41

Активизируйте схему. Зарисуйте изображение входного и выходного сигналов

сэкрана осциллографа. Сделайте выводы.

5.4.5.Для исследования избирательногоRC усилителя соберите схему, изображенную на рис. 5.18. Функциональный генератор, подключенный к входу усилителя, необходим для правильного моделирования схемы, его параметры в данном случае не имеют значения, и их можно не устанавливать. Активизируйте схему. Изменяя параметры измерителя амплитудно-частотных характеристик, получите на его экране изображение АЧХ. Срисуйте с экрана изображение АЧХ. При помощи маркера определите частоту максимального усиления. Сделайте выводы.

Рис. 5.18. Принципиальная схема избирательного RC усилителя на ОУ

5.4.5. Для исследования триггера Шмитта на ОУ соберите схему, изображенную на рис. 5.19. Здесь используется сравнительно быстродействующий ОУ типа LM118 из библиотеки LM1xx.

Рис. 5.19. Принципиальная схема триггера Шмитта на ОУ

42

Установите форму выходного напряжения функционального генератора – прямоугольный импульс, частоту 1 кГц, коэффициент заполнения (Duty Circle) 50 %, амплитуду 5 В, смещение (Offset) 0. Активизируйте схему. Зарисуйте изображение входного и выходного сигналов с экрана осциллографа. Определите напряжения срабатывания Uср и отпускания Uотп и постройте передаточную характеристику триггера Uвых=f(Uвх). Повторите измерения для других значений сопротивлений резисторов. Сделайте выводы.

5.4.6. Для исследования мультивибратора на ОУ соберите схему, изображенную на рис. 5.20. Активизируйте схему. Зарисуйте форму напряжений на выходе схемы и на конденсаторе. Определите период и частоту колебаний

выходного напряжения. Повторите измерения для емкости конденсатора 0,033 мкФ. Сделайте выводы.

Рис. 5.20. Принципиальная схема мультивибратора на ОУ

5.5.Содержание отчета

–Цель работы.

–Принципиальные схемы установок для проведения эксперимента.

–Данные экспериментов – осциллограммы входных и выходных напряжений, амплитудно-частотные характеристики ОУ.

–Выводы.

5.6.Контрольные вопросы

–Что такое ОУ, к какому классу усилителей его можно отнести?

–Что такое передаточная характеристика ОУ?

–Изобразить схему интегрирующего усилителя.

43

–Изобразить схему дифференцирующего усилителя.

–Изобразить схему избирательного усилителя.

–Изобразите схему триггера Шмитта и поясните назначение элементов

–Какой режим работы ОУ используется в схемах триггера Шмитта и мультивибратора.

–Что такое несимметричный мультивибратор?

–Поясните работу компаратора.

–Какие свойства ОУ используются для реализации импульсных схем?

–Что такое разностное напряжение?

44

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО (АЦП)

И ЦИФРОАНАЛОГОВОГО (ЦАП) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

6.1.Цель работы: знакомство с принципом действия и схемными реализациями АЦП и ЦАП. Исследование зависимостей между цифровыми и аналоговыми величинами ЦАП и АЦП.

6.2.Краткие сведения из теории

В современной технике возникает необходимость передачи непрерывного сообщения с помощью дискретных сигналов. В этом случае непрерывное сообщение преобразуется в дискретное, этот процесс называется дискретизацией

ивыражается в замене непрерывной функции совокупностью ее мгновенных значений в определенные моменты отсчета.

Дискретизация аналогового сигнала по уровням называется квантованием

исводится к передаче вместо мгновенных значений функций ближайших разрешенных значений дискретных уровней по установленной шкале.

Дискретизация по времени и уровню позволяет преобразовать непрерывное сообщение в дискретное, которое затем кодируется, т.е. представляется в виде последовательности m – ичных кодовых комбинаций (в цифровой форме). Такое преобразование осуществляется с помощью специальных устройств– аналого-цифровых преобразователей (АЦП), являющихся составной частью систем цифровой передачи непрерывных сообщений(передающей стороны). На приемном конце с помощью цифро-аналоговых преобразователей(ЦАП) производится обратное преобразование цифрового сигнала в непрерывное -со общение. На рис. 6.1. изображена структурная схема системы цифровой передачи непрерывного сообщения.

Рис. 6.1 Структурная схема системы цифровой передачи непрерывного сообщения

Из схемы видно, что преобразование аналог – цифра включает три операции: дискретизацию по времени, квантование и кодирование. Полученная на выходе АЦП последовательность U1(t) двоичных импульсов в передатчике преобразуется в последовательность U2(t) радиоимпульсов, которая затем по линии связи поступает на вход приемника.

В приемнике принятая последовательность радиоимпульсовU2(t) (для случая использования радиосвязи) демодулируется и в виде последовательности U’1(t) импульсов поступает в цифро-аналоговый преобразователь, состоящий из декора и сглаживающего фильтра.

Декодер преобразует кодовые комбинации в квантованную последовательность разрешенных отсчетов(уровней), а сглаживающий фильтр восстанавливает непрерывное сообщение по квантованным значениям. При этом возникает погрешность, не превышающая половины шага квантования (шум квантования).

Схемные реализации АЦП в основном базируются на использовании трех методов: параллельного, весового и числового.

При параллельном методе входное напряжение АЦП сравнивается с -на бором опорных напряжений и определяется, между какими двумя уровнями

лежит Uвх.

Рассмотрим схему трехразрядного параллельного АЦП(рис. 6.2), выходной код которого, как известно, состоит из восьми чисел, включая нуль. Таким образом, понадобится семь (23-1) компараторов и семь опорных напряжений, которые легко получить с помощью делителей напряжений. Для преобразования выходных сигналов компараторов А1...А7 в двоичный код в схему АЦП включается приоритетный шифратор CD.

Входное напряжение Uвх подается одновременно на неинвертирующие входы компараторов А1...А7. Опорное напряжение Uо с помощью резистивного делителя квантуется и соответственно подается на инвертирующие входы компараторов. Число уровней квантования равно 2n–1, т.е. для 3-х-разрядного кода равно 23–1=7 и соответствует числу компараторов.

Устройство работает следующим образом. Если Uвх превышает опорное напряжение на соответствующем компараторе, то на его выходе появляется логический уровень "1", если же Uвх меньше опорного напряжения– на выходе "0". При возрастании Uвх компараторы устанавливаются в состояние"1" поочередно – снизу вверх (от младшего разряда к старшему). С выходов компараторов сигналы поступают на шифратор СD, который служит для преобразования унитарного кода в двоичный.

46

Рис. 6.2. Структурная схема параллельного АЦП

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) используются для преобразования цифрового кода в мгновенное значение аналогового сигнала, пропорционально весовым коэффициентам разрядов двоичной системы счисления. Это преобразование может быть осуществлено с помощью резистивной матрицы с весовыми двоично взвешенными сопротивлениями или с помощью матрицыR

– 2R с двумя номиналами сопротивлений.

В основе первой схемы ЦАП лежит суммирование весовых токов

(рис. 6.3).

47

Рис. 6.3. Структурная схема ЦАП с суммированием весовых токов

Сопротивления резисторов в схеме ЦАП выбирают таким, чтобы при замкнутых электронных ключах SW1¼SW4 через них протекал ток, соответствующий весу разряда. Ключ замкнут тогда, когда в соответствующий разряд поступает логическая единица. Для суммирования весовых токов включен операционный усилитель, охваченный цепью отрицательной обратной связи. Недостатком данной схемы является то, что номиналы сопротивлений резисторов в младшем и старшем разрядах отличаются в2n-1 раз и должны быть высокоточными.

Этот недостаток устранен в схеме ЦАП с матрицей постоянного импеданса (матрица типа R-2R). При использовании цепочки резисторов R-2R вклад

каждого разряда в выходной сигнал пропорционален его двоичному весу

(рис. 6.4).

Рис. 6.4. Структурная схема ЦАП с матрицей R-2R

48

Принципиальная схема установки для изучения ЦАП и АЦП изображена на рис. 6.5 она включает параллельный АЦП на компараторах А1–А7 с приоритетным дешифратором D1, который преобразует унитарный выходной код АЦП в двоичный. Светодиоды VD1–VD10 индицируют состояния на выходах АЦП. ЦАП выполнен по схеме суммирования весовых токов на операционном усилителе А8 и резисторах R9–R12. Мультиплексор D2 служит переключателем входных сигналов ЦАП, которые выбираются переключателем SA. В положении переключателя "КОД" на входы ЦАП подаются цифровые сигналы с переключателей SA1–SA3, а в положении"АЦП" – цифровые сигналы с выхода АЦП.

6.3.Порядок выполнения работы

6.3.1.Исследование аналого-цифрового преобразователя

К входу АЦП подключите вольтметр для измерения постоянного напряжения и встроенный источник постоянного напряжения базового блока (рис. 6.5). Выведите потенциометр установки Uн1 базового блока влево до упо-

ра, при этом входное напряжение АЦПUвх=0. Включите тумблер "Сеть" базового блока.

Плавно увеличивая Uн1, зафиксируйте момент, когда загорится светодиод VD1 на выходе компаратора и светодиод VD8 на выходе шифратора АЦП, что соответствует кодовой комбинации 001. Замерьте Uвх. Далее, плавно увеличивая Uн1, зафиксируйте моменты загорания светодиодов VD2¼VD7 и светодиодов VD8¼VD10, отмечая соответствующие им значения Uвх и кодовых комбинаций. Результаты занесите в таблицу 6.1.

49