Лабораторная работа № 7 исследование схем генераторов сигналов

Цель работы:изучение свойств схем генераторов сигналов, приобретение практических навыков в синтезе и анализе схем генераторов сигналов.

Работа выполняется в системе моделирования MicroCAP.

В работе необходимо:

• изучить работу схем генераторов сигналов;

• изучить методику расчета схем генераторов сигналов;

• рассчитать и исследовать схем генераторов сигналов в системе моделирования MicroCAP.

1. Общая часть

1.1. Генераторы колебаний прямоугольной формы

Принципиальная схема простого генератора сигналов прямоугольной формы показана на рис.1. В схеме ОУ охвачен положительной и отрицательной обратной связью. Причем ПОС по своему действию оказывает опережающее действие по отношению к ООС. Цепь ПОС обеспечивает лавинообразный переход схемы из одного состояния в другое. А цепь ООС обеспечивает необходимое время пребывания схемы в каждом из состояний.

Схема может находиться в одном из состояний, в которых выходное напряжение может быть равно или плюс или минус напряжению насыщения (U_н) ОУ. ПОС выполнена с помощью делителя напряжения на резисторахR₂иR₃. Она задает на положительный вход ОУ напряжение, равноеU_н, в зависимости от того в каком состоянии находится схема. Здесь=R₂/(R₂+R₃) – коэффициент положительной обратной связи. ООС осуществляется с помощью пассивного интегратора наR₁,C₁.

Напряжение на выходе ОУ равно U_вых = А_д(U₊-U_-). ЕслиU₊>U_-, напряжение на выходе будет равно +U_н, а на неинвертирующем входе +U_н. Схема переключится в противоположное состояние, когда напряжение на инвертирующем входе достигнет величины +U_н. Если же напряжениеU₊<U_-, то напряжение на выходе будет равно -U_н, а на неинвертирующем входе -U_н. Схема переключится, когда напряжение на инвертирующем входе снизится до величины -U_н.

Рассмотрим работу схемы более подробно. Допустим, что после включения питания напряжение на выходе ОУ установилось равным +U_н. Напряжение на неинвертирующем входе ОУ будет равно +U_н. Напряжение на инвертирующем входе (напряжение на конденсаторе) в начальный момент времени равно 0. Конденсатор начинает заряжаться от напряжения +U_нчерез резисторR₁cпостоянной времениR₁C₁. Когда напряжение на конденсаторе достигнет величины +U_н, скачкообразно изменится напряжение на выходе ОУ. Оно становится равным -U_н. Напряжение на неинвертирующем входе будет равно -U_н. Конденсатор будет перезаряжаться от напряжения +U_ндо напряжения -U_н. В момент времени, когда напряжение на конденсаторе достигнет величины -U_н, схема опять переключится в противоположное состояние, т.е. напряжение на выходе станет равным +U_н, напряжение на неинвертирующем входе будет равно +U_н, конденсатор перезаряжается от +U_ндо -U_ни процесс повторяется. Временные диаграммы работы генератора показаны на рис.2.

Период колебаний генератора определяется из формулы

.

Если принять β = 0,473, тогда T= 2R₁C₁иf= 1/T= 1/(2R₁C₁).

Максимальная частота, с которой может работать генератор, ограничивается скоростью нарастания выходного напряжения ОУ.

Схема генератора с большой скважностью показана на рис.3. Работа этой схемы аналогична работе генератора, описанного ранее. Изменение скважности достигается разными цепями заряда и разряда емкости. Так заряд емкости осуществляется по цепи D1,R₁,C₁cпостоянной времени τ =R₁C₁, а разряд по цепиD2,R₁₁,C₁с постоянной времени τ =R₁₁C₁. Длительности положительного и отрицательного импульсов определяются из выражений:

.

Скважность генерируемых импульсов определяется соотношением сопротивлений резисторов R₁иR₁₁, т.е.

,

где q– скважность импульса.

Временные диаграммы работы генератора с большой скважностью показаны на нис.4.

Расчет генератора прямоугольных импульсов

Реальная принципиальная схема генератора прямоугольных импульсов представлена на рис.5. Стабилитроны D1 и D2 стабилизируют амплитуду выходного напряжения, ограничивая ее величину на уровне (U_ст + 0,7В). Эти пределы не обязательно должны быть симметричными. Резистор R₄ ограничивает ток через стабилитроны. Резистор R₅ служит нагрузкой схемы.

Исходные данные:

• частота генерации 1 кГц,

• выходное напряжение U_вых = 5В,

• ток нагрузки 3 мА.

Выберем стабилитрон типа 1N4623 с напряжением стабилизации равном 4,3В и током стабилизации 0,25 мА. Для стабилитрона прямое падение напряжения приблизительно равно 0,7 В. Операционный усилитель выберем LM741E. Напряжение питания ОУ равно 15 В, а напряжение насыщения U_н = 14 В.

Пренебрегая входным токам ОУ, положим I_R3 = I_R2 = 1 мА. Если принять коэффициент положительной обратной связи  = 0,473, то U_R2 = U_вых  = 5 В 0,473 = 2,365 В. Величина сопротивления R₂ = U_R2 /I_R2 = 2,365В/1 мА= 2,365 кОм. Величину сопротивления R₃ определим по формуле R₃ = (U_вых – U_R2) / I_R3 = (5 B – 2,365 B) / 1 мА= 2,635 кОм.

Выберем величину емкости равную 0,01 мкФ. Т.к. мы приняли величину коэффициента обратной связи  = 0,473, то период колебаний определяется по формуле T = 2R₁C₁. Откуда найдем величину резистора R₁ = T/2C₁ = 1млС/ 20,01мкФ = 50 кОм.

Сопротивление R₄ найдем из выражения

R₄ = U_R4 / I_R4 = (U_н – U_вых ) / (I_ст+I_н + I_R3 + I_R1),

где U_н – напряжение насыщения ОУ, U_вых - выходное напряжение генератора, I_ст – ток стабилитронов, I_н - ток нагрузки, I_R3 – ток положительной обратной связи, I_R1 – максимальный ток заряда конденсатора. В формуле нам не известен только ток I_R1. Максимальный ток через емкость будет протекать тогда, когда напряжение на выходе будет иметь максимальное значение, а напряжение на емкости будет равно 0. Таким образом, максимальный ток заряда емкости будет равен

I_R1= U_вых / R₁ = 5 B / 50 кОм = 0, 1 мА.

Теперь определим величину

R₄ = (14 B – 5B)/(0,25 + 3 + 1 +0,1)мА = 2,069 кОм  2,1 кОм.

Сопротивление нагрузки равно R_н = U_вых / I_н = 5 В / 3 мА = 1,67 кОм.

Правильность расчета подтверждают результаты моделирования, показанные на рис.6.