ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНОГО ДИФФЕРЕНЦИАТОРА

1

ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНОГО ДИФФЕРЕНЦИАТОРА.

Цель работы: Изучить устройство и работу активного дифференциатора.

Приобрести навыки компьютерного моделирования радиоэлектронных устройств с помощью программы Electronics Workbench и навыки проведения натурного эксперимента и работы с радиоизмерительными приборами. С помощью натурного эксперимента подтвердить репрезентативность компьютерного моделирования.

Приборы и материалы: ПК 486 модели, дискета 3,5``,

макет активного дифференциатора, генератор низкочастотный Г3-112, два электронных милливольтметра В3-38 (В3-13), двухлучевой осциллограф С1-55, фазометр Ф2-4, два коаксиальных тройника, соединительные 50-омные коаксиальные кабели.

Краткая теория. Сначала необходимо привести схему,

иллюстрирующую работу дифференцирующего усилителя. Его выходное напряжение является производной

от формы входного напряжения. Напряжение на конденсаторе С1 равно входному напряжению Uвх. Ток,

2

протекающий через конденсатор С1 и резистор обратной связи Ro,равен:

I = C dUвх

dt

На выходе операционного усилителя создаётся падение напряжения Uвых.=-IRo. Из этих соотношений следует:

Uвых=-RoC1 dUdtвх

Передаточная функция дифференцирующего усилителя определяется выражением: K(jω)=-jωC1Ro.

Активный дифференциатор имеет огромное преимущество перед пассивным. Он приближается к идеальному дифференциатору тем сильнее, чем больше коэффициент усиления по напряжению у его операционного усилителя. При этом постоянная времени дифференцирующей цепи уменьшается в число раз, равное коэффициенту усиления по напряжению операционного усилителя. Здесь имеет смысл ввести так называемую приведённую постоянную

отрицательной обратной связи, подаваемой с выхода на инвертирующий вход операционного усилителя, а Rвх- сопротивление резистора, ограничивающего входной ток на инвертирующем входе.

3

Наш реальный активный дифференциатор представляет собой дифференцирующий усилитель и сконструирован на базе операционного усилителя

µА741 (140УД7), как и все остальные электронные устройства в данной дипломной работе. Ниже приводится его принципиальная электрическая схема.

В рабочем окне программы Electronics Workbench v.5.12

он выглядит так.

4

Так выглядит продифференцированный меандр – в виде остроконечных пиков, соответствующих переднему и заднему фронтам импульсов. Это объясняется так: производная – это скорость изменения сигнала. Дифференцируя сигнал, мы увеличиваем скорость изменения сигнала, то есть увеличиваем амплитуды высокочастотных составляющих его гармонического спектра, которые определяют крутизну фронтов импульсов. Другими словами, происходит увеличение скорости изменения сигнала, и его энергия перераспределяется между гармониками в пользу высокочастотных составляющих.

На данной осциллограмме мы видим результат полного дифференцирования сигнала при ёмкости конденсатора на входе, равной 6800 пФ. Изменим постоянную времени.

5

Так выглядит продифференцированный сигнал при ёмкости конденсатора, равной 0,022 мкФ. Видно, что происходит неполное дифференцирование импульсов.

Увеличим ёмкость конденсатора. Начиная с 0,15 мкФ и более импульсы проходят через наше устройство, не дифференцируясь вообще и лишь усиливаясь по амплитуде. В данном случае наш дифференциатор работает как усилитель, а конденсатор играет роль разделительного.

6

Снимем АЧХ и ФЧХ для того, чтобы убедиться, что дифференциатор по совместительству является фильтром верхних частот. Выше уже было сказано, что он перераспределяет энергию сигнала в пользу высокочастотных гармонических составляющих.

7

Порядок выполнения работы. Сначала выполняется компьютерное моделирование, а затем – натурный эксперимент. Включите компьютер, загрузите программу EWB, откройте файл «активный дифференциатор.ewb». Путь к файлу диск С: \ Program Files \ Ewb512 \ Circuits \ схемы \

активный дифференциатор.ewb. Запустить процесс симуляции щелчком левой кнопки мышки по выключателю, расположенному в верхнем правом углу экрана. Активируйте осциллограф, щелкнув левой кнопкой мышки по его значку в схеме и выбрав в появившемся меню пункт «Open» (открыть). У осциллографа настройте вертикальное отклонение лучей, скорость развёртки, смещения по осям Х и Y так, чтобы удобно было наблюдать сигналы на входе и на выходе схемы. Параметры меандра, подаваемого с генератора функций: частота 50 Гц, амплитуда 1В.

8

Вызывая контекстное меню щелчком правой кнопки мышки по входному конденсатору и выбирая пункт «Component properties» последовательно меняйте ёмкость конденсатора, выбирая значения 6800 пФ, 0,022 мкФ и 0,15 мкФ. Как меняется при этом вид осциллограммы?

Пользуясь окном «AC-frequency» из меню «Analysis»,

снимите АЧХ и ФЧХ дифференциатора с каждым из конденсаторов. По виду АЧХ докажите, что он одновременно является и ФВЧ.

Схему дифференциатора, осциллограммы, спектрограммы, АЧХ и ФЧХ рекомендуется сохранить на дискете для последующего отчёта, оформляемого в текстовом редакторе Microsoft Word.

ВНИМАНИЕ! ПЕРЕД ЗАВЕРШЕНИЕМ РАБОТЫ С ПРОГРАММОЙ EWB ВО ИЗБЕЖАНИЕ ПОРЧИ СХЕМНЫХ ФАЙЛОВ ИЗМЕНЕНИЯМИ, ВНЕСЁННЫМИ В СХЕМЫ В ПРОЦЕССЕ ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ, УБЕРИТЕ ЭТИ ИЗМЕНЕНИЯ ЛИБО ВЫБРАВ ОПЦИЮ «REVERT TO SAVED» (ВЕРНУТЬСЯ К СОХРАНЁННОМУ) В

МЕНЮ «FILE», ЛИБО НА ЗАПРОС «SAVE CHANGES…? (СОХРАНИТЬ ИЗМЕНЕНИЯ В ТАКОЙ-ТО СХЕМЕ) ОТВЕТИТЬ

«NO» (НЕТ).

Теперь перейдём к натурному эксперименту. Надо подключить макет активного дифференциатора к блоку питания. К входу и выходу активного дифференциатора подключить осциллограф. У осциллографа настройте вертикальное отклонение лучей, скорость развёртки, смещения по осям Х и Y так, чтобы удобно было наблюдать сигналы. Вращая рукоятку галетного переключателя и

9

включая разные конденсаторы в дифференцирующую цепь, наблюдайте за изменениями картинки на экране осциллографа. Сравните результаты натурного эксперимента и компьютерного моделирования.

Теперь надо снять три раза АЧХ при разных положениях галетного переключателя, устанавливая на входе дифференциатора гармонический сигнал с генератора Г3-112 с постоянным уровнем, контролируя его первым милливольтметром и замеряя уровень выходного сигнала вторым электронным милливольтметром В3-38 на частотах

10,100, 1000 Гц, 1, 10, 20, 200, 500 кГц

частоту среза дифференциатора как фильтра верхних частот и сравните с результатом компьютерного моделирования. Как влияет изменение ёмкости на частоту среза?

Результаты рекомендуется оформить в виде электронной таблицы и графика в программе Microsoft Excel, которые затем вставляются в отчёт в редакторе Microsoft Word.

Теперь с помощью фазометра надо снять три ФЧХ в тех же точках,что и АЧХ и оформить аналогичным образом в отчёте.

Пользуясь приведёнными выше формулами и принципиальной электрической схемой активного дифференциатора, рассчитайте, во сколько раз наш макет уменьшает постоянную времени дифференцирующей цепи по сравнению с пассивным дифференциатором.

Контрольные вопросы:

10

1.В чём заключается физический смысл процесса дифференцирования?

2.Как влияет на процесс дифференцирования постоянная времени дифференцирующей цепи ?

3.Как можно объяснить частотноизбирательные свойства дифференциатора?

4.Какое влияние оказывает операционный усилитель на процесс дифференцирования?

Литература:

1.Достал Иржи. Операционные усилители: пер. с

англ. – М.: Мир, 1982. – 512 с., ил.

2.Кар Дж. Проектирование и изготовление электронной аппаратуры: Пер. с англ. – 2-е изд. стереотип, -

М.: Мир, 1986. – 387 с., ил.

Кардашев Г.А. Виртуальная электроника. Компьютерное

моделирование аналоговых устройств. – М.: Горячая линия – Телеком, 2002. – 260 с., ил.

3.Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM РС. Программа Electronics Workbench и ее применение. –

М.:Солон – Р, 2001 – 726 с., ил.

4.Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника (полный курс): Учебник для вузов/Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров; Под ред. О.П. Глудкина.

–М.: Горячая линия – Телеком, 2002. – 768 с., ил.

5.Примерная программа дисциплины «Основы схемотехники».

6.Расчет электронных схем. Примеры и задачи: Учеб. пособие для вузов по спец. электрон. техники Г.И.