ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8_09ПК

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

Исследование генераторов сигналов различной формы

Теоретическая часть

В зависимости от формы выходных колебаний различают генераторы синусоидальных колебаний и генераторы колебаний сложной формы. Наиболее простую реализацию имеют генераторы синусоидальных (гармонических) колебаний.

Простейшая схема RC генератора синусоидальных колебаний на операционном усилителе приведена на рисунке 1,а. В ней операционный усилитель включён по неинвертирующей схеме, а в качестве звена положительной обратной связи используется полосовой фильтр со средней частотой ₀ = 1 / RC. Такая схема называется мостовым генератором Вина.

Рисунок 1 – Схемы генераторов синусоидальных колебаний

Фазовый сдвиг фильтра на средней частоте равен нулю, а коэффициент передачи – (₀) = 1/3.

Известно, что условием возникновения стационарных колебаний в замкнутой системе является равенство выходного напряжения обратной связи и входного напряжения усилителя, то есть:

,

где K_U – коэффициент усиления усилителя.

Отсюда следует, что для возникновения стационарных колебаний должно выполняться условие К_U = 1 / β. Оно обеспечивается в схеме на рисунке 1,а при выполнении соотношения R₁ = 2R₂. В этом случае в схеме возникают колебания с частотой f = 1/(2RC). Однако амплитуда этих колебаний будет неопределённой. Самое незначительное уменьшение R₂ приведёт к нарастанию амплитуды до уровня ограничения выходного напряжения усилителя по питанию, а незначительное увеличение – к затуханию колебаний. Эти обстоятельства требуют применения в составе генератора системы автоматического регулирования амплитуды.

Один из возможных вариантов схемы с автоматическим регулированием амплитуды изображён на рисунке 1,б. В этой схеме резистор R₂ зашунтирован полевым транзистором с последовательно включённым сопротивлением. Параметры цепи выбираются так, чтобы при малой амплитуде выходного сигнала транзистор открывался и эквивалентное сопротивление цепи R_2экв с параллельно включённой цепочкой было бы заведомо меньше, чем 0,5R₁. Это обеспечивает возникновение колебаний и нарастание амплитуды. Когда амплитуда достигнет напряжения пробоя стабилитрона с последовательно включённым диодом, на затвор подаётся отрицательное напряжение, транзистор увеличивает своё сопротивление и дальнейший рост амплитуды прекращается. Такая простая цепь автоматического регулирования амплитуды несколько искажает форму выходного сигнала генератора, что является недостатком схемы.

Реализация периодических сигналов сложной формы требует существенного усложнения схемы. Для реализации генераторов сигналов сложной формы с небольшими габаритными размерами электронной промышленностью в настоящее время выпускается ряд специализированных интегральных микросхем.

В данной лабораторной работе исследуется функциональный генератор на микросхеме XR8038, который вырабатывает напряжения треугольной, синусоидальной и прямоугольной форм в широком диапазоне частот. Имеется также возможность модуляции и коррекции формы выходных сигналов. Функциональная схема микросхемы с основными внешними элементами приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Функциональная схема микросхемы XR8038

Принцип действия генератора основан на заряде и разряде внешнего конденсатора С внутренними высокостабильными источниками тока I_A и I_B, ток которых задаётся внешними резисторами R_A и R_B. Источник тока I_A, заряжающий конденсатор, всегда включён. Как только напряжение на конденсаторе превышает значение 2/3U_пит, включается второй источник тока I_B и конденсатор начинает разряжаться. Как только напряжение на конденсаторе снизится до величины 1/3U_пит источник I_B выключается, и конденсатор начинает снова заряжаться. Таким образом, напряжение на конденсаторе имеет треугольную форму. Через буферный каскад оно подаётся на вывод 3 микросхемы. Синусоидальное напряжение формируется из треугольного функциональным нелинейным преобразователем (вывод 2 микросхемы). Прямоугольное напряжение формируется транзистором с открытым коллектором (вывод 9). Добавочное сопротивление R_доб установлено внутри миниблока с микросхемой XR8038.

Время заряда и разряда, можно регулировать независимо резисторами R_A и R_B. Это даёт возможность изменять как форму треугольника, так и частоту следования импульсов. Суммарное время заряда и разряда (и частота) зависит также от ёмкости конденсатора С. Ток источников тока можно также регулировать, подавая напряжение на вывод 8 микросхемы от +U_пит до (2/3U_пит – 2) В. При увеличении напряжения на этом выводе ток источника тока и частота уменьшаются, при уменьшении – увеличиваются.

На выводе 7 микросхемы внутренним делителем устанавливается напряжение 4/5 от U_пит. Соединив вывод 7 с выводом 8, можно установить на управляющем выводе 8 напряжение, соответствующее средней точке диапазона регулирования частоты выходных сигналов. Включив между этими точками какое-либо изменяющееся напряжения, на выходе микросхемы можно получить модулированный по частоте сигнал. Выводы 1 и 12 микросхемы служат для коррекции формы синусоиды (в данной лабораторной работе эта коррекция не используются).

Экспериментальная часть

Задание на выполнение работы: исследовать условия возбуждения колебаний в генераторе синусоидальных сигналов с автоматической регулировкой выходной амплитуды и без регулировки амплитуды; исследовать способы регулирования частоты и формы сигналов микросхемы XR8038, снять регулировочные характеристики.

Порядок выполнения экспериментов

1. Соберите цепь мостового генератора Вина с автоматическим регулированием амплитуды согласно принципиальной и монтажной схемам на рисунках 3 и 4 соответственно. Рассчитайте предполагаемую частоту выходного сигнала:

f_расч = 1/2RC = Гц.

Рисунок 3 – Принципиальная схема генератора синусоидального сигнала

Рисунок 4 – Монтажная схема генератора синусоидального сигнала

2. Включите блок генераторов напряжений, осциллограф и, регулируя сопротивление потенциометра, включённого последовательно с R₂, добейтесь устойчивых колебаний выходного напряжения без ограничения амплитуды напряжением питания.

3. Перерисуйте осциллограмму выходного сигнала с указанием масштаба по осям графика. Определите частоту колебаний по построенному графику. Полученное экспериментальное значение f _эксп сравните с расчетным значением.

4. Выключите блок генераторов напряжений и измерьте омметром эквивалентное сопротивление R_2экв. Полученное значение сравните со значением сопротивления R₁.

5. Разомкните цепь автоматического регулирования напряжения, убрав с наборного поля полевой транзистор. Снова включите блок генераторов напряжения, и, регулируя сопротивление потенциометра, добейтесь колебаний с минимальным «обрезанием» вершин синусоиды. Перерисуйте осциллограмму сигнала в том же масштабе.

6. Выключите блок генераторов напряжений и измерьте омметром полученное сопротивление R₂. Сравните полученное значение со значением сопротивления R₁.

7. Смоделируйте в пакете Electronics Workbench 5.0 работу генератора с мостом Вина по схеме на рисунке 1,а. В качестве операционного усилителя используйте универсальный усилитель с выводами питания. В процессе моделирования установите максимальное значение R₂ , при котором генератор устойчиво генерирует неискаженный гармонический сигнал. Определите отношение R₁ / R₂.

8. Соберите на наборном поле схему для исследования регулирования частоты и формы выходных сигналов с помощью внешних резисторов (рисунок 5, 6). Выводы 7 и 8 микросхемы соединены. Добавочный резистор R_доб (10 кОм) установлен внутри миниблока. Сопротивления R_А и R_В имеют общую нерегулируемую часть R_общ = 10 кОм и регулируемые части – R₄ и R₅ (два плеча резистора 1 кОм).

9. Включите питание, настройте осциллограф и убедитесь, что на всех трёх выходах имеются сигналы. Вращая ручку переменного резистора 1 кОм, пронаблюдайте, как изменяется форма каждого сигнала.

Рисунок 5 – Принципиальная схема функционального генератора

Рисунок 6 – Монтажная схема функционального генератора

Таблица 1 – Влияние параметров С и R_общ на частоту сигналов

C, мкФ	Rобщ, кОм	Т, мс	f, кГц
0,01	0,47
	1
	2,2
	4,7
	10
	22
	47
	100
0,1	0,47
	1
	2,2
	4,7
	10
	22
	47
	100

Рисунок 7 – График зависимости частоты сигналов от R_общ

Рисунок 8 – Принципиальная схема функционального генератора

с управлением напряжением

Рисунок 9 – Монтажная схема функционального генератора

с управлением напряжением

10. Установите симметричный сигнал на выходе и, заменяя резистор R_общ резисторами, указанными в таблице 1, снимите зависимость периода выходного сигнала от сопротивления R_общ. Повторите опыт при С = 0,1 мкФ.

11. Рассчитайте частоту выходных сигналов и постройте график f(R_общ) в логарифмическом масштабе (рисунок 7) для каждого значения С.

12. Исследуйте функциональный регулятор в режиме управления внешним напряжением. Для этого внесите изменение в схему генератора как показано на рисунке 8 и рисунке 9. В этом режиме управляющее напряжение подается на вывод 9 микросхемы XR8038 и контролируется вольтметром.

13. Изменяя напряжение на выводе 8 в пределах 0…7 В, измерьте с помощью осциллографа период колебаний выходных сигналов и рассчитайте их частоту (таблица 2).

Таблица 2 – Значение частоты сигналов от величины управляющего напряжения

U8, B	0	1	2	3	4	5	6	7
Т, мс
f, кГц

14. По результатам таблицы 2 постройте график зависимости частоты выходных сигналов от значения управляющего напряжения f (U₈).

15. Проведите анализ полученных результатов и сделайте выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Какое условие работы замкнутой системы должно выполняться для возникновения стационарных колебаний в системе?

2. Как осуществляется автоматическая регулировка амплитуды выходного гармонического сигнала в схеме на полевом транзисторе?

3. На какой параметр выходных сигналов специализированной микросхемы XR8038 оказывает влияние номинал конденсатора С?