4. Дослідження схем генераторів сигналів

Мета роботи - вивчення принципу роботи, основних параметрів і характеристик релаксаційних генераторів прямокутних сигналів.

Теоретичні відомості

Схеми релаксаційних генераторів або мультивібраторів на основі ОП можуть бути різні. Найбільш прості з них будуються шляхом охоплення ОП колами позитивного зворотного зв‘язку (ПЗЗ) і негативного зворотного зв‘язку (НЗЗ), причому ПЗЗ по своїй дії у часі повинен бути випереджаючим по відношенню до НЗЗ. Тоді коло ПЗЗ забезпечує лавиноподібний перехід мультивібратора з одного стану в інший, а коло НЗЗ (разом із колом ПЗЗ) обмежує час перебування пристрою в кожному із станів.

На рис. 3а і 3б показані схеми найпростіших мультивібраторів побудованих на основі ОП. В мультивібраторі рис. 3а коло ПЗЗ виконане на основі резистивного подільника R3, R4, а коло НЗЗ вміщує пасивний інтегратор R1, C1. Якщо рівні обмеження вихідної напруги ОП однакові за модулем і рівні +U_обм і -U_обм , а - коефіцієнт ПЗЗ, то можна визначити напівперіод коливань T/2 як час перезарядки конденсатора С1 під дією напруги U_обм через резистор R1від рівня до рівня :

, (1)

де . Звідси отримаємо:

. (2)

В мультивібраторі по схемі рис.3б коло ПЗЗ виконано ланкою, що диференціює (С1, R4, R3), а коло НЗЗ утворено резистивним подільником R2, R1. позначимо , . Після переходу вихідної напруги мультивібратора, наприклад з рівня -U_обм на рівень +U_обм , стрибок напруги , який виникає на неінверсному вході потім зменшується за експоненційним законом. Напівперіод коливань Т/2 визнається часом, на протязі якого напруга на неінверсному вході зменшується до рівня напруги на інверсному вході:

, (3)

де . Виходячи із цієї рівності, знаходимо період коливань:

. (4)

Мультивібратор за схемою рис. 3б працездатний лише за умови , інакше кажучи, при .

Ч

а) б)

Рис. 3

асові діаграми напруг на інверсному (е_-), неінверсному (е₊) і виході (U_вих) ОП для даного мультивібратора наведено на рис. 4б.

а) б)

Рис. 4

Для керування автоколиваннями за допомогою вхідної напруги використовуються мультивібратори що керуються.

У

а) б)

Рис. 5

пристрої по схемі рис. 5а за допомогою вхідної напруги включається або виключається режим генерації імпульсів. Цей пристрій можна використовувати як компаратор, якій генерує. Якщо U_вх<0, то операційний підсилювач знаходиться в стані від‘ємного обмеження, діод VD при цьому закритий. Коли вхідна напруга U_вх позитивна, вихідна напруга ОП також стає позитивною і діод відкривається. Коли діод відкритий, включається НЗЗ, внаслідок чого пристрій починає працювати в режимі мультивібратора. Умовою виникнення автоколивань в даному випадку є перевищення глибини ПЗЗ над глибиною НЗЗ, що досягається при .

Якщо в цьому пристрої змінити напрямок включення діода, то він буде генерувати імпульси при негативній керуючій напрузі на вході.

Якщо в подібному генеруючому компараторі не включати діод в коло НЗЗ, то пристрій набуває властивості дворівневого компаратора. В такому пристрої імпульси на виході існує, поки вихідна напруга знаходиться в межах лінійної ділянки амплітудної характеристики. В іншому випадку на виході ОП встановлюється напруга, що відповідає позитивному (при U_вх>0) або негативному (при U_вх<0) рівнями обмеження.

В мультивібраторі по схемі рис. 5б за допомогою вхідної напруги відбувається керування частотою автоколивань. Тут заряд конденсатора С проводиться від вхідного сигналу U_вх; ОП при цьому знаходиться в стані позитивного обмеження, діод VD закритий. Коли під дією сигналу U_вх напруга на інверсному вході ОП досягає рівня, що задається на неінверсному вході колом ПЗЗ (R3, R4), відбувається лавиноподібний перехід ОП в стан негативного обмеження. Діод VD відкривається, і відбувається розряд конденсатора C через резистор R2. Потім пристрій лавиноподібно повертається в попередній стан і так далі. Таким чином, час заряду конденсатора С визначається сигналом U_вх. Для цього потрібно, щоб було виконана умова . Автоколивання в розглянутому пристрої існують при:

і . (5)

Мультивібратор по схемі рис. 5б – це найпростіший перетворювач напруги в частоту (ПНЧ).

На основі ОП можуть бути побудовані самі різні види генераторів гармонійних коливань. Якщо потрібно отримати синусоїдальну змінну напругу низьких та середніх частот, то зручно застосувати RC-генератор.

Приклад RC-генератора, виконаного на основі ОП показано на рис.6.

Наведена схема, рис.6 відповідає генератору з мостом Віна, який часто застосовується. При R₃/R₄>R₁/R₂+C₂/C₁ в пристрої виникають автоколивання, частота яких визначається формулою:

. (6)

Зазвичай використовують в частото-залежному колі моста Віна рівні опори і ємності R₁=R₂=R, C₁=C₂=C, а частоту автоколивань знаходять з співвідношення , причому автоколивання виникають за умови, що коефіцієнт підсилення підсилювача, складеного з ОП і резисторів R3 і R4, більше трьох. Іншими словами, повинна виконуватись умова R3/R4>2.

Рис.6

Коливання що встановились у замкненому колі можливі лише за умови точної рівності одиниці коефіцієнта підсилення одиниці на частоті f0. Але для виникнення коливань потрібно, щоб на початку коефіцієнт підсилення був більше одиниці. Після виникнення автоколивань їх амплітуда стабілізується на такому рівні, при якому за рахунок нелінійного елементу в петлі коефіцієнт підсилення знижується до одиниці. Якщо не робити спеціальних заходів, то ця нелінійність проявляється в амплітудній характеристиці ОП, в цьому випадку форма автоколивань може помітно відрізнятись від синусоїди.

Для отримання гармонійних коливань з малим спотвореннями використовують інерційно-нелінійне коло негативного зворотного зв‘язку ОП. Потрібний характер нелінійності забезпечується тоді, коли із зростанням амплітуди сигналу зменшується опір R3 або збільшується опір R4. Тому замість R3 можна включити мініатюрний терморезистор або замість R4 – металевий терморезистор (наприклад мініатюрну лампочку накалювання). Малі розміри терморезистора в даному випадку потрібні для того, щоб забезпечити його розігрів відносно малопотужним сигналом.

Схема експерименту

До складу лабораторної установки входять: лабораторна макетна плати, операційний підсилювач, двополярний блок живлення і двоканальний осцилограф.