Прецизионные выпрямители

Простые резисторно-диодные выпрямители неудовлетворительно работают при выпрямлении переменных напряжений, меньших 0,7 В, так как не удаётся исключить влияние прямого падения напряжения на диоде.

Включение диода в петлю обратной связи, охватывающую ОУ, позволяет решить проблему выпрямления малых напряжений, поскольку за счёт высокого усиления ОУ ограничения на величину детектируемого напряжения снижаются.

На рис. 3.5,а показана принципиальная схема прецизионного однополупериодного выпрямителя, который вырабатывает инвертированную копию отрицательной полуволны входного сигнала Vвх. Когда Vвх отрицательно, диод VD1 смещён в прямом, а диод VD2 - в обратном направлении, и схема действует как обычный инвертирующий усилитель с единичным коэффициентом усиления. Для положительных Vвх диод VD1 заперт, а диод VD2 находится в проводящем состоянии, благодаря чему возникает отрицательная обратная связь, устанавливающая на выходе ОУ запирающее напряжение для диода VD1. Если бы диод VD2 отсутствовал, то на выходе ОУ установилось бы напряжение насыщения - Vs, однако выходное напряжение выпрямителя по-прежнему было бы равно 0 В.

На рис. 3.5,б приведена принципиальная схема прецизионного двухполупериодного выпрямителя. Он собран на двух усилителях, причём второй каскад выполняет функцию сумматора. Первый каскад повторяет с коэффициентом –1 положительную полуволну входного синусоидального сигнала и за счёт диодов VD1 и VD2 не пропускает отрицательную полуволну. Отрицательная полуволна поступает сразу на второй вход сумматора на DA2. Номиналы резисторов выбраны следующим образом: R₁=R₂=R₄=R₅=10 кОм, R₃= 5 кОм. В первый положительный полупериод выходное напряжение

Vвых = – (2V₁ + V₂) = – (–2Vвх + Vвх) = Vвх. (3.5)

Во второй отрицательный полупериод сигнал на первом входе сумматора равен нулю, напряжение на втором входе V2 = – Vвх и выходное напряжение сумматора Vвых за счет равенства коэффициента передачи по второму входу –1 также оказывается равным Vвых. Следовательно, схема реализует двухполупериодное выпрямление переменного напряжения.

Методика выполнения

При выполнении работы будут использоваться элементы, параметры которых соответствуют модели ideal из библиотеки default. Пользователю не следует беспокоиться о задании им каких-либо параметров.

По каждому рассмотренному в теоретическом материале устройству при выполнении данной лабораторной работы предусматривается экспериментальное определение всех входных характеристик, получение передаточной функции и нахождение амплитудно-частотной характеристики. По каждой из них заполняются необходимые таблицы, строятся графики.

1. Запустите необходимое программное обеспечение.

2. Соберите схему, приведённую на рис. 3.2,а. Входные сигналы задавайте с помощью источников постоянного напряжения. Установите номиналы всех трёх резисторов равными 10 кОм. Контроль величин всех напряжений обеспечьте подключением вольтметров. Изменение выходного напряжения контролируйте с помощью осциллографа.

3. Установите ёмкость конденсатора С=100 мкФ, задайте Vвх = 4 В, Vоп = =-12 В. В окне задания параметров переключателей назначьте для управления состоянием ключей на рис. 3.2,а клавиши N и I. Замыканием N установите начальное значение напряжения на конденсаторе С равным +12 В. Включите питание всей схемы с помощью кнопки в правом верхнем углу экрана. Ручками управления осциллографа обеспечьте визуализацию линии начального состояния на экране. Одновременным размыканием N и замыканием I начните интегрирование входного сигнала. Постройте график процесса, отмечая времена установки начальных условий, интегрирования и хранения результата.

4. Установите ёмкость конденсатора С=50 мкФ и повторите действия, указанные в п. 3.

5. Задайте Vвх = 8 В и Vоп = -12 В и повторите действия, указанные в п.3, при С=50 мкФ.

6. Задайте Vвх =-8 В и Vоп =+12 В и повторите действия, указанные в п.3, при С=50 мкФ.

7. Теоретически определите вид кривой интегрирования на выходе ОУ при треугольной форме входного сигнала .

8. Соберите схему по рис. 3.3,а. Подключите на входы схемы источники постоянного напряжения для задания входного напряжения Vвх и опорного напряжения Vоп. Подключите ко всем входам и выходу вольтметры.

9. Задавая величины опорного напряжения в диапазоне от –10 до + 10 В с шагом 5 В, найдите величины входного напряжения, при которых произойдет изменение величины и фазы выходного напряжения. К каждой точке Vоп при изменении Vвх подходите слева с шагом 0,05 В на участке 0,10 В, контролируя Vвых, и после прохождения момента равенства проследите значение выходного сигнала также в двух точках на участке в 0,10 В. Результаты эксперимента занесите в табл.3.1.

Таблица 3.1

Vоп , B	- 10	-10	-10	- 10	- 10
Vвх , B	- 10,10	- 10,05	-10	- 9,95	- 9,90
Vвых , B

Такие таблицы строятся для значений опорного напряжения –10, -5, 0, +5, +10 В. Для каждого из них по данным табл. 3.1 получается своя передаточная функция в соответствии с рис.3.3,б.

10. Определите стабильность уровня срабатывания компаратора на различных частотах входного сигнала при Vоп =5 B, задавая входной сигнал от генератора синусоидальных колебаний и контролируя выход схемы по рис.3.3,а с помощью мультиметра и осциллографа.

11. По рис. 3.4,а соберите схему компаратора с петлёй гистерезиса. Оснастите схему необходимой измерительной аппаратурой. Рассчитайте по (3.3) номиналы резисторов для задания уровня шумовой составляющей входного сигнала в 0,1 В для Vвх < 0 B , уровня в 0,4 В для Vвх > 0.

12. По аналогии с п. 9 определите и постройте выходные характеристики для схемы компаратора с гистерезисом, учитывая требование различных значений Vоп для входных сигналов Vвх менее и больше 0. В табл. 3.2, аналогичной табл. 3.1, у точек –10 и –5 В произойдет сдвиг в сторону больших значений на 0,1 В, а у точек 0, +5, +10 В произойдёт сдвиг в том же направлении на 0,4 В.

Такая таблица строится для всех пяти точек по аналогии с п.9.

13. Для опорного напряжения в 5 В проверьте стабильность уровня срабатывания этого компаратора по аналогии с п.10.

Таблица 3.2

Vr , B	- 9.9	- 9.9	- 9.9	- 9.9	- 9.9
Vi , B	- 10.00	- 9.95	- 9.9	- 9.85	- 9.80
Vo, B

14. Соберите схему по рис. 3.5,а однополупериодного прецизионного выпрямителя. Резисторы R1 , R2 установите номиналами по 5 кОм, а R3 равен величине параллельного их соединения. Подсоедините необходимые измерительные приборы и снимите выходную характеристику схемы для входного синусоидального сигнала в диапазоне от 0 до 1 В с шагом 0,2В. Снимите осциллограммы напряжений на входе и выходе схемы.

15. Повторите действия, указанные в п.14, для сопротивлений R1=5 кОм, R2=10 кОм и при необходимом R3 .

16. Постройте амплитудно-частотную характеристику прецизионного однополупериодного выпрямителя по аналогии с п. 10 для коэффициента усиления ОУ, равного 1.

17. Соберите схему по рис.3.5,б двухполупериодного прецизионного выпрямителя. Снимите зависимость выходного напряжения выпрямителя от входного синусоидального сигнала, подаваемого с источника переменного напряжения в диапазоне 0 - 0,5 В с шагом 0,1 В. Измерение амплитуды переменных напряжений выполните с помощью осциллографа, включенного на работу по постоянному току. Зарисуйте графики напряжений Vвх, Vвых.