Электроника_Лаба

УДК 621.396

Электроника: Методические указания к лабораторным работам / сост.: В. А. Виноградов, А. А. Погодин. СПб.: Изд-во «ЛЭТИ», 2012. 66 с.

Содержат описания лабораторных работ, предназначенных для закрепления теоретических сведений, полученных при изучении аналоговых схем на операционных усилителях и транзисторах.

Предназначены для подготовки бакалавров по направлениям 140400 «Электроэнергетика и электротехника» и 220400 «Управление в технических системах», изучающих курс «Электроника».

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний

© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012

2

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОННЫХ ЦЕПЕЙ

В процессе выполнения лабораторных работ по дисциплине «Электроника» студенты измеряют основные параметры и характеристики электронных цепей (схем). Несмотря на существенные различия в построении и назначении схем, наборы измеряемых параметров для этих цепей отличаются незначительно. В данном разделе приведены методики измерения тех параметров и характеристик, которые необходимо измерять при выполнении нескольких лабораторных работ.

1. Амплитудная характеристика (АХ) – зависимость напряжения на вы-

ходе (Uвыx) схемы от напряжения на ее входе (Uвx). АХ измеряют на одной частоте, поэтому на вход цепи подают гармонический сигнал частотой (f), как правило, лежащей в полосе пропускания (усиления) схемы. Методику измерения АХ поясняет рис. М.1: источником сигнала является генератор (Г); поскольку часто генератор не содержит измерительного прибора, позволяющего точно контролировать уровень напряжения на его выходных клеммах, то к

этим клеммам подключают вольтметр В1.

Рис. М.1

С точки зрения исследуемой схемы выходное напряжение генератора, измеряемое вольтметром В1, является входным (Uвx). К выходу схемы под-

ключают вольтметр В2, регистрирующий Uвыx, а также электронный осциллограф (ЭО). Назначение осциллографа – демонстрировать форму сигнала на выходе схемы: нарушение линейной зависимости АХ сопровождается появлением нелинейных искажений выходного сигнала, т. е. отклонением его от

гармонической формы. В процессе измерений необходимо изменять Uвx при поддержании постоянства f.

2.Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) KU = KU(f), где KU =

=| Uвыx/Uвx|. – коэффициент передачи схемы по напряжению. Для измере-

3

ния АЧХ применяют ту же схему (рис М.1), которая используется для измерения АХ.

Однако теперь фиксируют Uвx (на уровне, при котором в выходном сигнале отсутствуют нелинейные искажения), а частоту изменяют. В процессе измерений удается зарегистрировать не коэффициент передачи, а лишь

Uвыx, поэтому в дальнейшем следует обработать полученные данные. При построении графика АЧХ рекомендуется для большей наглядности частоту откладывать по оси абсцисс в логарифмическом масштабе: при этом любому десятикратному увеличению f соответствует отрезок фиксированной длины. Например, расстояние между отметками 10 и 100 Гц на оси выбрано равным 1 см; между отметками 100 Гц и 1 кГц следует также отложить 1 см, между 1 и 10 кГц такой же отрезок, и т. д.

3. Фазочастотная характеристика (ФЧХ) (f), где – сдвиг фаз, который приобретает гармонический сигнал при прохождении через схему. Наиболее распространенный метод измерения ФЧХ – с использованием осциллографа, на экране которого получают фигуру Лиссажу. Методику измерений поясняет рис. М.2.

Рис. М.2

Сигнал с выхода схемы, как правило, подают на вход Υ осциллографа, а входной – на вход Х. Поскольку сигналы имеют различные амплитуды, то надо обеспечить равенство их графических изображений («вписать фигуру Лиссажу в квадрат»). Регулировать размер изображения сигнала можно только по входу Υ. После получения на экране фигуры, имеющей в общем виде форму эллипса, необходимо измерить ее размеры и рассчитать сдвиг фаз по формуле, приведенной на рис. М.3. Поскольку амплитуда выходного сигнала может меняться в зависимости от частоты, необходимо при переходе от одного значения f к другому заново обеспечивать равенство горизонтального и вертикального размеров

4

фигуры Лиссажу – в противном случае при измерении фазы будет иметь место ошибка.

4. Входное сопротивление (Rвx) схемы – отношение входного напряжения к входному току. Методику измерений поясняет рис. М.4.

Между генератором и входом исследуемой схемы включают магазин сопротивлений (МС). Применяемые в учебной лаборатории МС обеспечивают удовлетворительную точность измерений при частотах сигнала не более 3 кГц. Первона-

Рис. М.4

чально устанавливают нулевое сопротивление магазина (Rм) и при этом фиксируют напряжение на вольтметре (оно равно напряжению на выходе генератора). Затем сопротивление магазина плавно увеличивают до тех пор, пока напряжение не снизится вдвое. Это означает, что магазин и входное сопротивление образовали делитель из двух равных сопротивлений, т. е. входное сопротивление схемы равно сопротивлению магазина.

5. Выходное сопротивление схемы (Rвыx) – отношение выходного напряжения к выходному току. Методику измерений поясняет рис. М.5.

Рис. М.5

5

В начале измерений устанавливают максимально возможное сопротивле-

ние магазина, при этом магазин и вольтметр В2 соединяют параллельно и фиксируют показания вольтметра. Постепенно уменьшая сопротивление магазина, добиваются снижения напряжения, регистрируемого вольтметром, вдвое: при этом

Rм равно Rвыx исследуемой схемы.

Внимание! Подключение магазина с малым сопротивлением может привести к выходу из строя как макета, так и магазина сопротивлений.

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩИХ И ИНТЕГРИРУЮЩИХ ЦЕПЕЙ

Целью работы является практическое ознакомление с пассивными и активными дифференцирующими и интегрирующими цепями – как со схемами, преобразующими форму импульсных сигналов, так и как с фильтрами.

Основные положения. Схема пассивной дифференцирующей цепи (ДЦ) приведена на рис. 1.1. Если на вход ДЦ подать видеоимпульс прямоугольной формы, например, положительной полярности (амплитудой U0 и

длительностью τи), то конденсатор будет заряжаться, заряд тока пойдет через резистор R, создавая на нем падение напряжения UR. Поскольку R включено параллельно выходным зажимам, то падение напряжения UR является одновре-

менно выходным сигналом ДЦ (Uвыx). Напряжение UC возрастает по экспоненциальному закону, при этом принято считать, что заряд завершается за время, равное 3τ, где τ = RC – постоянная времени цепи. В первый момент значение выходного сигнала равно U0, так как конденсатор еще не успевает зарядиться и все напряжение приложено к сопротивлению.

После окончания входного импульса (начиная с момента τи) конденсатор разряжается. Ток разряда (большой вначале) постепенно убывает. Поскольку разрядный ток течет в противоположном направлении (по сравне-

6

нию с зарядным), то он создает на R, а значит на выходе схемы, так называемый обратный выброс – импульс полярности, противоположной знаку входного сигнала. Обратный выброс представляет опасность для некоторых видов нагрузки, и тогда его устраняют с помощью диодного ограничителя.

Процессы в ДЦ иллюстрируют диаграммы напряжений (рис. 1.2). Возможны два варианта:

1) конденсатор успевает полностью зарядиться до окончания входного

импульса, т. е. 3τ < τи; в этом случае выходной сигнал представляет собой пару коротких импульсов, сдвинутых друг относительно друга, имеющих одинаковые амплитуды и противоположную полярность (рис. 1.2, а);

2) конденсатор не успевает полностью зарядиться (3τ > τи), поэтому

разряд начинается не с −U0, а с уровня −UCmax, инверсного достигнутому

при заряде; обратный выброс имеет амплитуду −UCmax меньшую, чем входной сигнал (рис. 1.2, б).

Рис. 1.2

7

Из этих вариантов процедуре дифференцирования соответствует только первый, так как в этом случае преобразование формы сигнала цепью похоже на математический результат получения производной. Степень соответствия выходного сигнала ДЦ идеальному дифференцированию оценивают с помощью параметра, называемого ошибкой (погрешностью, %) дифферен-

цирования: εд = (3τ /τи)∙100.

Пассивная ДЦ при подаче на ее вход гармонического сигнала выполняет функции, отличные от преобразования формы сигнала. Емкости C соот-

ветствует сопротивление XC = 1/(2πfC), убывающее с ростом частоты. R и XC образуют делитель из двух сопротивлений, коэффициент деления которого имеет вид R/(R − jXC). Коэффициент деления делителя совпадает с коэффи-

циентом передачи схемы КU.. При f = 0 XC → ∞, поэтому коэффициент передачи делителя равен 0, иначе говоря, сигнал со входа схемы на ее выход не проходит. При f → ∞ XC = 0, конденсатор пропускает сигнал со входа на вы-

ход без потерь и КU = 1. ДЦ является фильтром высоких частот. Интегрирование в математическом плане является операцией, обратной

дифференцированию. Реализующая функцию интегрирования пассивная цепь (интегрирующая цепь (ИЦ), рис. 1.3) очень похожа на ДЦ, однако эле-

менты R и C в схемах ДЦ и ИЦ переставлены местами. В ИЦ Uвыx = UC. При подаче на вход ИЦ видеоимпульса прямоугольной формы положительной полярности, имеющего амплитуду U0 и

длительность τи, конденсатор будет заряжаться, зарядный ток потечет через сопротивление R. После окончания входно-

го импульса (начиная с момента τи) конденсатор разряжается. Таким образом, процессы в пассивных ДЦ и ИЦ полностью совпадают. Различие заключается

лишь в том, на каком элементе схемы напряжение является выходным. Преобразование импульсов интегрирующей цепью иллюстрируют диаграммы

напряжений рис. 1.4 (а – случай τи > 3RC; б – τи < 3RC).

8

Для обеспечения высокого качества интегрирования необходимо заряжать конденсатор как можно медленнее, так как только начальный участок экспоненты близок к линейной функции (интегралом от постоянной величины является линейная функция).

Ошибка интегрирования [%] определяется как εи = (τи /3τ)100. Эта

формула является обратной по отношению к выражению для εд. К сожалению, улучшение качества интегрирования в пассивной ИЦ сопровождается снижением амплитуды Uвыx, и при очень малых εи сигнал может быть утрачен.

Пассивная ИЦ при подаче на ее вход гармонического сигнала выполняет функции фильтра низких частот (ФНЧ). Как и в ДЦ, резистор R и XC образуют делитель из двух сопротивлений, но в ИЦ коэффициент деления равен (−jXC)/(R − jXC). При f = 0 XC → ∞, поэтому коэффициент передачи делителя равен 1, при f → ∞ XC = 0, конденсатор шунтирует выход схемы и КU = 0.

Схемы активных дифференцирующей и интегрирующей цепей на базе операционного усилителя приведены, соответственно, на рис. 1.5, а и б. В общем виде передаточная характеристика таких цепей в диапазоне рабочих частот ОУ может быть описана соотношением

K(jf) = −Zо.с(jf)/Zвх(jf),

9