203-elektrotehnika-i-elektronika-elektronika-26mb

4.Снять показания мультиметра U1изм. Сравнить полученные зна- чения с рассчитанными.

5.Установить ЭДС на входах E = 0,1 В с одинаковой полярно- стью. Рассчитать выходное напряжение усилителя U2расч.

6.Снять показания мультиметра U2изм. Сравнить полученные зна- чения с рассчитанными.

7.Результаты измерений и расчетов занести в табл. 7.3.

Таблица 7.3

Интеграторы и дифференциаторы

Задание 5

1. Собрать схему интегратора с использованием программы Electronics Workbench, изображенную на рис. 7.9.

Рис. 7.9. Интегратор

2.Установить значения R1 = 10 кОм; R2 = 100 кОм; С = 0,1 мкФ.

3.Установить режим генератора сигналов: сигнал прямоуголь- ной формы Uвх = 1 В, f = 100 Гц. Измерить амплитуду выходного сигнала.

4.Нарисовать графики для входного и выходного напряжений1.

5.Установить режим генератора сигналов: сигнал прямоугольной формы Uвх = 1 В, f = 10 Гц. Измерить амплитуду выходного сигнала.

–––––––––

1 Перед проведением очередного опыта следует разрядить конденсатор. Для этой цели используется выключатель на выходе операционного усилителя.

61

6.Нарисовать графики для входного и выходного напряжений.

7.Исследовать АЧХ интегратора и зарисовать ее в лабораторную тетрадь.

Задание 6

1.Собрать схему дифференциатора с использованием програм-

мы Electronics Workbench, изображенную на рис. 7.10.

2.Установить режим генератора сигналов: сигнал треугольной формы Uвх = 100 мВ, f = 100 Гц.

3.Рассчитать постоянную времени дифференциатора τ = R2C2.

4.Рассчитать параметры выходного сигнала: амплитуду и период.

Рис. 7.10. Дифференциатор

5.Измерить параметры выходного сигнала и сравнить с расчет- ными значениями.

6.Нарисовать графики для входного и выходного напряжений.

7.Исследовать АЧХ и ФЧХ дифференциатора и нарисовать их в лабораторную тетрадь.

8.Определить диапазон частот, в котором выполняется операция дифференцирования.

7.5.Содержание отчета

1.Наименование и цель работы.

2.Необходимые теоретические сведения.

3.Изображения электрических схем для проведения исследований.

4.Таблицы результатов измерений и расчетов.

62

5.Вычисленные значения коэффициента передачи Ku для схемы рис. 7.5; напряжения смещения для ОУ LM741; значения выходного напряжения дифференциального усилителя; постоянные времени интегратора и дифференциатора, параметры выходного сигнала: ам- плитуда и период.

6.Переходная характеристика и АЧХ неинвертирующего усили- теля; АЧХ интегратора и дифференциатора; графики для входного и выходного напряжений интегратора и дифференциатора.

7.Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1.Назовите характеристики идеального операционного усилителя.

2.Что такое напряжение смещения нуля, частота единичного уси- ления?

3.Вычислите Ku для инвертирующего и неинвертирующего уси- лителя, если R1 = 10 кОм, R2 = 100 кОм.

4.Операционный усилитель имеет дифференциальный коэффици- ент усиления 10 000. Вычислите точное значение коэффициента уси- ления усилителя в неинвертирующем включении, если R1 = 1 кОм,

R2 = 99 кОм.

5.Указать условие, при выполнении которого коэффициент уси- ления усилителя полностью определяется параметрами цепи обрат- ной связи.

6.Напряжение смещения ОУ 10 мВ, дифференциальный коэффи- циент усиления 50 000. Какое напряжение на выходе можно ожидать

уусилителя на ОУ с Ku = 100 при Uвх = 0?

7.Дифференциальный коэффициент усиления ОУ 50 000. Частота единичного усиления 1 МГц. Вычислить Ku на частоте 10 кГц.

8.Определить частоту среза для условий задания 7.

9.Какие математические функции можно реализовать на схемах с

ОУ?

10.Что определяет величину входного сопротивления схем на операционных усилителях?

11.Какие параметры неидеальности операционного усилителя вносят ошибку в коэффициент передачи?

12.Почему не рекомендуется устанавливать высокие значения параметров резисторов в усилительных схемах?

13.Чем отличаются АЧХ интегратора и дифференциатора?

63

Лабораторная работа 8

ГЕНЕРАТОРЫ СИГНАЛОВ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

8.1. Цель работы

Изучить механизм возникновения автоколебаний в схемах на опе- рационных усилителях с обратной связью, научиться проектировать схемы генераторов электрических сигналов.

8.2. Теоретическое введение

Механизм работы любого генератора электрических сигналов ос- нован на использовании положительной обратной связи между вхо- дом и выходом в усилительной схеме. Положительная обратная связь приводит к тому, что приращение по модулю потенциала на входе вызывает приращение потенциала на выходе, компенсирующее по- тери в цепи.

Положительная обратная связь является главной общей осо-

бенностью всех генераторов. При рассмотрении обратной связи в усилителях было показано, что коэффициент усиления усилителя с обратной связью (Ku ос) определяется выражением

Ku ос = Ku/(1 – β Ku),

где Ku – коэффициент усиления без обратной связи;

β – величина, показывающая, какая часть выходного сигнала возвращается на вход.

При отрицательной обратной связи β или Ku отрицательные, так что знаменатель всегда больше единицы. Однако в случае положи- тельной обратной связи может выполняться условие для комплексов

коэффициента усиления (Ku) и коэффициента обратной связи β :

− β =

1 Ku 0 ,

которое дает бесконечное значение для Ku. Это означает, что усили- тель создает выходной сигнал в отсутствие входного, что и является условием генерации.

Самовозбуждающаяся колебательная система является «сердцем» ка- ждого генератора. Генератор синусоидального сигнала конструируется

64

зена, выполнялось только на одной частоте.

Существуют различные типы генераторов электрических сигналов:

–генераторы синусоидальной формы напряжения (гармоническо- го напряжения);

–прямоугольной формы (мультивибраторы);

–одновибраторы (генераторы одиночных прямоугольных импульсов);

–генераторы напряжения треугольной, трапецеидальной, пилооб- разной формы.

Форма сигнала зависит в основном от частотных свойств схемы ге- нератора: сам генератор одновременно выполняет функции фильтра и при широкой полосе пропускания он может формировать импульсы прямоугольной формы, а при узкой полосе формировать гармониче- ский сигнал на одной частоте, подавляя все остальные гармоники.

Генераторы на операционных усилителях строятся с применением RC цепей обратной связи, что делает их компактными и легко на- страиваемыми. Одним из недостатков таких генераторов является невозможность получения сигналов высоких частот при использова- нии положительной обратной связи.

RC генераторы гармонических сигналов на базе ОУ выполня-

ются с использованием фазосдвигающих цепочек или частотно- избирательных цепей.

Перестраиваемые RC генераторы обычно создают на основе уси- лителя, охваченного избирательной положительной обратной связью, через мостовую цепь, например, мост Вина.

На рис. 8.1, a показана простейшая схема генератора с мостом Вина, где в качестве усилителя используется операционный усили- тель. Частотно-зависимое плечо моста Вина содержит цепи C1R2 и C2R4, через которые на вход усилителя проходит сигнал положитель- ной обратной связи, в то время как сигнал отрицательной обратной связи подан через делитель на резисторах R3 и R1.

В схеме генератора для получения синусоидальных колебаний определенной частоты необходимо, чтобы условия возбуждения вы- полнялись только для этой частоты. При C1 = C2 = C и R2 = R4 = R

65

или –E. Соответственно напряжение переключения U1 должно быть

Рис. 8.2. Триггер Шмитта

Схема мультивибратора на операционном усилителе и осцилло- граммы напряжений приведены на рис. 8.3.

Рис. 8.3. Схема мультивибратора (а) и осциллограммы напряжений на выходе и хронирующем конденсаторе (б)

До включения напряжения питания напряжение на конденсаторе равно нулю. В момент включения питания на выходе операционного усилителя напряжение изменится скачком из-за того, что коэффици- ент усиления схемы очень большой (практически близкий к коэффи- циенту усиления ОУ, т.е. 104…106), а на входе реального ОУ сущест- вует напряжение смещения.

Допустим, что знак выходного напряжения смещения в момент включения положительный, а его величина равна +Uвых max. В то же время напряжение на неинвертирующем входе станет равным +βUвых max, где β = R1/(R3 + R1), т.е. потенциал на конденсаторе

67

будет отрицательным относительно потенциала неинвертирую- щего входа. Такое положение вещей соответствует свойствам ОУ: знаки потенциалов инвертирующего входа и выхода различ- ны, тогда как знаки потенциалов неинвертирующего входа и вы- хода одинаковые.

Конденсатор через резистор R начнет заряжаться с постоянной времени τ = R2C, а напряжение на нем будет стремиться к +Uвых max. Когда напряжение на конденсаторе превысит по модулю напряжение на неинвертирующем входе, напряжение на выходе ОУ скачком ин- вертируется и станет равным –Uвых max.

Теперь на неинвертирующем входе установится напряжение

–βUвых max, а конденсатор начнет перезаряжаться, т.е. стремиться при своей зарядке к напряжению –Uвых max. После того как на кон- денсаторе напряжение по модулю превысит напряжение на неин- вертирующем входе, его отрицательный потенциал станет больше, чем на неинвертирующем входе, и на выходе напряжение вновь инвертируется и станет +Uвых max.

Эти выражения получены из рассмотрения элементарных пере- ходных процессов в RC цепи при различных начальных условиях.

Как было уже сказано, переключение напряжения на выходе про- исходит в момент равенства по модулю напряжений на инвертирую- щем и неинвертирующем входах, что иллюстрирует рис. 8.3. Тогда длительность импульса tи может быть определена из условий

Как видно, эти уравнения тождественны и имеют одинаковые ре- шения:

т.е. длительности положительного и отрицательного импульсов оди- наковые. Такой мультивибратор называется симметричным. Период колебаний Т и их частота f рассчитываются по формулам

T = 2tи; f = 1/T = 1/2tи.

68

Частоту колебаний (длительность импульсов) можно регулировать как соотношением величин сопротивлений R1 и R2, так и параметрами RC цепочки. Вместе с тем подбором соотношения параметров этих эле- ментов можно изменять порог срабатывания. Уменьшение напряжения βUвых max или RC может привести к нестабильности частоты генерации.

Введение в цепь зарядки конденсатора элемента с односторонней проводимостью, например полупроводникового диода, позволяет создать несимметричный мультивибратор (генератор прямоугольных

импульсов с различной длительностью: tи+ – для положительной по-

лярности импульса и tи− – для отрицательной полярности импульса). Схема такого мультивибратора показана на рис. 8.4.

Рис. 8.4. Несимметричный мультивибратор

Зарядка конденсатора через резистор R+ и диод VD+, подключен- ный p-областью к выходу, дает длительность импульсов положи- тельной полярности, выражаемую формулой

а для импульсов отрицательной полярности зарядка конденсатора происходит через цепь R– и диод VD–, подключенный к выходу ОУ n-областью. При этом длительность импульсов отрицательной по- лярности определяется из выражения

69

Период колебаний теперь будет определяться по формуле

Т= tи+ + tи− .

8.3.Подготовка к работе

1.Освоить основные положения теоретического введения.

2.Подготовить таблицы для записи результатов.

3.Начертить в лабораторной тетради схемы проведения эксперимента.

8.4.Порядок выполнения работы

Лабораторная работа выполняется с помощью программы Multisim или Electronic Workbench.

Генератор синусоидальных колебаний

Задание 1

1.Собрать в рабочем окне схему моста Вина, изображенную на рис. 8.5.

2.Нарисовать АЧХ и ФЧХ генератора.

3.Определить частоту при максимальном значении коэффициента передачи и угол сдвига фаз на этой частоте.

Рис. 8.5. Мост Вина

70