Tsimbalist_E_I_Silushkin_S_V_--_Issledovanie_analogovykh_skhem_v_programmno-apparatnoy_srede_NI_ELVIS_uchebnoe_posobie

2. Определите соответствие между названиями устройств на ОУ (1-я группа) и видами функций (2-я группа), отображенных по порядку в вопросе 1.

1-ая группа:

1.Схема выделения модуля (двухполупериодный выпрямитель гармонических сигналов).

2.Двухсторонний ограничитель.

3.Нуль-компаратор.

4.Логарифматор.

2-ая группа:

функции: а) б) в) г)

3. Выберите условия, при которых может быть обеспечено нелинейное преобразование входного сигнала в схемах с ОУ:

а) при линейном режиме работы ОУ и линейных элементах в цепях обратной связи;

б) при линейном режиме работы ОУ и нелинейных элементах в цепях обратной связи;

в) при нелинейном режиме работы ОУ и линейных элементах в цепях обратной связи;

г) при нелинейном режиме работы ОУ и нелинейных элементах в цепях обратной связи.

221

5. Установите правильное соответствие между схемами на идеализированных ОУ и видами, осуществляемых в них нелинейных преобразований:

1-я группа:

1.Схема выделения модуля (двухполупериодный выпрямитель гармонических сигналов).

2.Двухсторонний ограничитель.

3.Нуль-компаратор.

2-я группа:

6. Выберите из предложенных вариантов амплитудных характеристик (АХ) схемы ту, которая соответствует ее работе с идеальным операционным усилителем?

7. На входе схемы действует гармонический сигнал.

Какую функциональную задачу решает схема?

а) однополупериодное выпрямление для получения отрицательного выходного напряжения;

222

б) однополупериодное выпрямление для получения положительного выходного напряжения;

в) двухполупериодное выпрямление для получения отрицательного выходного напряжения;

г) двухполупериодное выпрямление для получения положительного выходного напряжения.

8. В схеме генератора прямоугольных импульсов по инверсному входу выполняется функция компаратора с гистерезисной амплитудной характеристикой. Выберите из предложенных характеристик правильную и поясните свой выбор.

9.Как изменятся временные диаграммы сигналов, поясняющих работу операционного выпрямителя, если вместо резистора R23 с сопротивлением 5,1 кОм установить резистор R15 = 10 кОм? Приведите исправленные диаграммы напряжений.

10.В схеме усилителя-ограничителя, изображенной на рис. 5.84, убрали резистор R12. Как теперь будет выглядеть амплитудная характе-

223

ристика схемы? Приведите для измененной схемы временные диаграммы входного гармонического напряжения и выходного напряжения.

11.В схеме формирователя нелинейной зависимости выходного сигнала от входного, в отличие от изображенной на рис. 5.88, нелинейный элемент (НЭ) и резистор R поменяли местами. Функциональная зависимость элемента между его током и падением напряжения на нем осталась прежней. Докажите, какая будет зависимость выходного напряжения от входного.

12.Какую функцию над входным сигналом выполняет схема, изображенная на рисунке? Выведите условие, при выполнении которого переключается выходное напряжение.

13.Приведите схему нуль-компаратора, которая реализует следующий вид амплитудной характеристики.

14.Приведите схему компаратора, которая реализует следующий вид амплитудной характеристики.

224

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

цель работы;

схемы и результаты эксперимента;

теоретические расчеты искажений;

сравнение результатов теории и эксперимента;

выводы.

225

Лабораторная работа № 9

Автогенераторы периодических колебаний на операционных усилителях

Цель работы

Овладение методикой исследования в программно-аппаратной среде NI ELVIS схем автогенераторов на ОУ, генерирующих гармонические и прямоугольные колебания.

Задачи исследования

1.Подготовка к лабораторной работе, т. е. формирование знаний и пониманий процессов, происходящих в исследуемой схеме.

2.Проработка разделов порядка выполнения работы. Поиск ответов по каждому пункту на вопросы: как его реально выполнить? Что должно быть получено в результате его выполнения (прогнозируемый результат)?

3.Приобретение навыков исследования схем c ОУ с использованием функционального генератора (FGEN), осциллографа (Scope), анализатора амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик – АЧХ/ФЧХ

(Bode Analyzer) и анализатора спектра (Dynamic Signal Analyzer – DSA).

4.Обработка полученных экспериментальных данных, подготовка и защита отчета.

Краткие сведения из теории

Исследуемые в этой лабораторной работе схемы принципиально отличаются от всех ранее анализируемых схем лабораторного цикла по аналоговой электронике. Отличительной особенностью изучаемых ранее схем, какие бы они не были пассивные или активные и какие бы преобразования они не выполняли, было то, что они требовали наличия на их входах сигналов. Другими словами, все схемы осуществляли определенные линейные или нелинейные преобразования над входными или выходными сигналами, причем пассивные схемы осуществляли их без привлечения источников питания.

В этой лабораторной работе Вы исследуете другой класс схем – это генераторы электрических сигналов, которые сами служат источниками измерительных, синхронизирующих и управляющих сигналов для схем аналоговых, импульсных и цифровых устройств. В отличие от различ-

226

ных усилительных и преобразовательных схем, если исключить у генераторных схем задачи их управления, синхронизации, модуляции и т. п., в генераторах отсутствует входы, куда ранее в предыдущих схемах извне подавался сигнал.

Существует следующее определение: генератором электрических сигналов называется устройство, посредством которого энергия источника питания преобразуется в электрические колебания определенной формы с заданной амплитудой и частотой. Однако такое определение подойдет и для усилительных устройств. На наш взгляд, необходимо добавить, что такое преобразование осуществляется исключительно за счет внутренних ресурсов схемы и при отсутствии традиционного входа и входного сигнала на нем. Говоря по существу, процессы в любой схеме усилителя или преобразователя входных сигналов описываются дифференциальным уравнением с правой частью. Процессы же в автогенераторах при указанных выше ограничениях будут описываться однородными дифференциальными уравнениями, т. е. с правой нулевой частью. Из этого четко подтверждается предыдущий вывод: параметры сигналов в генераторе определяются параметрами элементов его схемы.

В общем случае автогенератор генерирует сигналы произвольной формы. Но наиболее часто возникает потребность в сигналах гармонической и прямоугольной форм. Такие автогенераторы и будут исследоваться в данной лабораторной работе.

Задачи исследования

При исследовании любой схемы автогенератора возникает следующий состав вопросов:

1.При каких условиях возникают колебания в исследуемой схеме автогенератора?

2.По какому закону нарастают колебания от их возникновения до стационарной амплитуды?

3.Как определить стационарное (установившееся) значение выходного напряжения автогенератора?

4.Насколько устойчивы параметры установившегося выходного напряжения автогенератора и прежде всего его частоты и амплитуды? Другими словами, речь идет о стабилизации частоты и амплитуды напряжения автогенератора.

Указанные задачи являются классическими. Они могут быть дополнены вопросами, специфическими для конкретной исследуемой схемы.

227

RC-автогенератор синусоидальных колебаний с цепью Вина

О составе автогенератора

Прежде всего, Вас должен заинтересовать ответ на вопрос: «А что должно обязательно входить в состав схемы любого автогенератора гармонических колебаний?». Рассуждения на этот счет могут быть следующими.

Раз в идеальном случае автогенератор должен генерировать синусоидальные колебания на одной избранной пользователем частоте, то в составе схемы мы должны обнаружить линейную избирательную цепь и избирательный усилитель на ней построенный.

Чтобы обеспечить условия неустойчивости такого усилителя, последний должен быть охвачен цепью положительной обратной связи на частоте квазирезонанса и, к тому же, иметь на этой частоте петлевое усиление, превышающее единицу. Если эти условия имеют место, то будут нарастать колебания в автогенераторе по тому или иному закону.

Однако в линейной схеме нарастание колебаний будет происходить до бесконечности, так как линейные элементы не изменяют своих параметров от значений тока или напряжения. Значит, в составе схемы любого автогенератора должна присутствовать нелинейность, которая и возьмет на себя ответственность за получение требуемой стационарной амплитуды гармонического колебания.

Но и это еще не все. Если заинтересоваться стабилизацией значения (действующего, амплитудного, средневыпрямленного) выходного напряжения автогенератора, то в схеме можно различить дополнительную цепь отрицательной обратной связи по выбранному интегральному или амплитудному значению сигнала, реализующую формирование отрицательной производной коэффициента передачи усилителя генератора от значения выходного напряжения.

Схема RC-автогенератора синусоидальных колебаний с цепью Вина изображена на рис. 5.93.

Анализируя схему RC-автогенератора, находим в ее составе избирательную цепь, которую можно исследовать на ее частотные свойства, рис. 5.94. Найденная цепь и носит название «цепь Вина».

228

Рис. 5.93. Автогенератор синусоидальных колебаний с цепью Вина

GROUND

Рис. 5.94. Цепь Вина и схема исследования ее АЧХ и ФЧХ

Как видно из рис. 5.93, кроме цепи Вина в составе автогенератора находится неинвертирующий усилитель на ОУ (обозначен на схеме пунктиром). Цепь и неинвертирующий усилитель образуют петлю положительной обратной связи на частоте квазирезонанса, когда передача цепи вещественна, а фазовый сдвиг равен нулю. С другой стороны, неинвертирующий усилитель образуется, когда ОУ охватывается цепью последовательной отрицательной обратной связью по напряжению через сопротивления R23 и R22. Г-образный четырехполюсник, как цепь положительной обратной связи, и четырехполюсник (рис. 5.93) из R23 и R22, как цепь отрицательной обратной связи, образуют мостовую схему, баланс которой зависит от значения сопротивления R22 (рис. 5.95). При разбалансировке моста в ту или иную сторону изменяется фаза входного дифференциального напряжения ОУ на противоположную.

229