Устройство макета цап.

Лабораторный макет преобразователя выполнен на базе интегрального ЦАП типа К594ПА1. Макет подключается к питающему напряжению переменного тока U_п⁼220в, необходимые питающие напряжения постоянного тока для интегрального ЦАП вырабатывают встроенные источники питания.

На лицевой панели макета расположены две группы переключателей SAl-=-SA10 и SA11, разъемы XI, Х2 и сетевой тумблер. Переключатель SA11 коммутирует входы ЦАП к счетчику импульсов, что позволяет наблюдать работу преобразователя в динамическом режиме. В противном случае входы ЦАП подключены к переключателям SA1-Sal0, что дает возможность исследовать работу преобразователя в статическом режиме. С разъема Х2 снимается выходное напряжение ЦАП, разъем XI служит для подачи на него тактовых импульсов при исследовании работы преобразователя в динамическом режиме.

Экспериментальная часть

1. Получение характеристики преобразования ЦАП.

1.1. Соберите схему согласно рисунку. Выход ЦАП (разъем Х2) подключите к выходу мультиметра. На макете ЦАП переключатель SA11 установите в положение "Вкл". С помощью переключателей SA1-SA10 установите на входах ЦАП код no, соответствующий крайнему значению заданного участка характеристики преобразования (участок характеристики задается преподавателем).

Рис. 3. Схема проведения эксперимента

Включите питающее напряжение макета и измерьте выходное напряжение ЦАПа U_вых, результат измерения запишите в таблицу 1.

Таблица 1.

Ni
Uвых

1.2. Последовательно увеличивая каждый раз на единицу младшего значащего разряда значение кода на входе ЦАП измерьте его выходное напряжение. Результаты измерений запишите в таблицу 1. По данным таблицы постройте характеристику преобразования ЦАП.

2. Измерение параметров ЦАП.

2.1. Определите напряжение смещения u₀₀ для ЦАП. Установите на входах ЦАП нулевой код (во всех разрядах установлены нули). Измерьте и запишите значение выходного напряжения u₀₀ ЦАП.

2.2 Определите погрешность в конечной точке шкалы преобразования δ_пш. Установите на входах ЦАП единичный код (во всех разрядах установлены единицы). Измерьте и запишите значение выходного напряжения ЦАП U_maxвых. Рассчитайте величину погрешности , где U_оп=5В

2.3. Определите дифференциальную нелинейность ЦАП δ_ЛД. По данным таблицы1 вычислите максимальное отклонение для выходных напряжений, соответствующих смене соседних кодов

,где - аналоговый эквивалент единицы младшего разряда, U_n и U_n+i -выходные напряжения ЦАП, соответствующие соседним кодам. Вычислите дифференциальную нелинейность ЦАП

2.4. Проанализируйте работу ЦАП при подаче на его входы периодически изменяющегося кода. Выходной разъем макета ЦАП Х2 соедините с входом Y осциллографа, переключатель SA11 установите в положение "Откл". На разъем X1 подайте с выхода генератора ГЗ-111 сигнал прямоугольной формы с частотой 1 кГц, регулятор амплитуды сигнала - в положение "3". Получите устойчивую осциллограмму выходного напряжения ЦАП. Зарисуйте осциллограмму и объясните как она изменится если отключить старший разряд ЦАП.

Отчет о выполненной работе

Отчет о выполненной работе должен содержать.

1. название и цель работы;

2. схему проведения эксперимента (рис. I). Экспериментально полученные данные для таб. 3, характеристику преобразования ЦАП;

3. экспериментально полученные данные для U₀₀, δ_пш, δ_лд по п.п. 2.1, 2.2, 2.3;

4. осциллограмму выходного напряжения ЦАП для п. 2.4.

Все рисунки и схемы должны сопровождаться пояснением.

Контрольные вопросы

1. Привести структурную схему ЦАП и пояснить принцип его работы.

2. Перечислить основные параметры ЦАП, характеризующие его работу в динамическом режиме.

3. Чем определяется дискретность изменения выходного напряжения ЦАП.

4. Дать определение дифференциальной нелинейности ХП ЦАП.

5. Привести пример немонотонного участка характеристики преобразования ЦАП. Пояснить, чем определяется немонотонность характеристики преобразования.

6. Дать определение времени установления ЦАП и пояснить графически.

Литература

1. Быстродействующие интегральные микросхемы ЦАП и АЦП и измерение их параметров. / А.-Й. К. Марцинкявичус, Э.-А. К. Багданскис, Р. Л. Пошюнос и др.: Под ред. А.-Й. Марцинкявичуса, Э.-А. К. Багданскиса. М.: Радио и связь, 1988.

2. Балакай В. Г., Крюк И. Г., Лукьянов Л. М. Интегральные схемы аналого- цифровых и цифро-аналоговых преобразователей. Под ред. Л. М. Лукьянова. М.: Энергия, 1978.

3. Микроэлектронные цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи информации. / Под ред. В Б. Смолова. М.: Энергия, Ленинград, отд., 1976.

4. Микроэлектронные цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи. / Федорков Б. Г., Телец В. А., Дегетеренко В. П. М.: Радио и связь, 1984.

Лабораторные работы, выполняемые на компьютере

Лабораторная работа №5 Усилитель на транзисторе

Цель работы: получение статических входной и семейства выходных характеристик транзистора. Изучение принципа работы усилительного каскада на транзисторе. Получение отдельных характеристик и параметров усилительного каскада да транзисторе.

Краткие теоретические сведения

Биполярный транзистор представляет собой активный полупроводниковый прибор с двумя р-n переходами, позволяющий усиливать и генерировать электрические сигналы, а так же коммутировать электрические цепи. В зависимости от электропроводности слоев транзистор имеет p-n-р или n-p-п структуру, которая определяет полярность его питающих напряжений (см. рис. 1).

Рис. 1. Структуры и условные обозначения биполярных транзисторов

Один из крайних, наиболее легированных слоев, называют эмиттер, средний слой - база и противоположный крайний слой - коллектор. Эмиттерный переход включают в прямом смещении, коллекторный - в обратном. При прямом смещении эмиттерного перехода снижается его потенциальный барьер и происходит инжекция электронов (дырок) из эмиттера в базу, образуется эмиттерный ток I_Э. Инжектированные носители проходят базу и втягиваются электрическим полем в коллектор, возникает ток коллектора I_К. За время прохождения через базу часть носителей рекомбинирует, в результате образуется ток базы I_б. Токи транзистора связаны между собой следующим образом I_Э = I_К + I_б

В зависимости от назначения электрической схемы для транзистора возможны три способа его включения в электрическую цепь: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК) (см. рис. 2).

Рис. 2. Схемы включения транзистора: а - с общей базой, б - с общим эмиттером, в - с общим коллектором

В этих схемах источники постоянного напряжения Е_к и e_б и резистор R_H обеспечивают режим работы транзистора по постоянному току. Входной сигнал переменного тока с генератора G изменяет ток эмиттера транзистора, а соответственно и ток коллектора. Приращение тока коллектора и тока эмиттера на нагрузочном резисторе R_H создают приращение напряжения, которые и являются выходными сигналами.

Основным параметром биполярного транзистора является коэффициент усиления (передачи) по току. Для схемы с ОБ коэффициент передачи по току определяется как α = I_к/I_б,. Для большинства транзисторов α = 0,98 -- 0,999, то есть схема с ОБ не обеспечивает усиления тока. Коэффициент передачи по току для схемы с ОЭ определяется как β = I_К/I_б, связь между β и α следующая β = α/(1-α). Транзистор включенный по схеме с ОЭ является хорошим усилителем тока, так как величина β составляет десятки – сотни. Коэффициент передачи по току транзистора включенного по схеме ОК определяется как γ = I_э/I_б = 1.(1 - α)

Расчет и анализ транзисторных схем значительно упрощается с использованием статических характеристик транзистора. Для транзистора, включенного по схеме ОЭ это будут зависимости вида

(1)

(2)

(2)получивших название входной (I) и семейства выходных (2) характеристик транзистора. На рис. 3. эти характеристики представлены графически.

Рис. 3. Входная (а) и семейство выходных (б) характеристик транзистора, включенного

по схеме ОЭ

Входные и выходные характеристики транзистора позволяют определить ряд его статических параметров, которые учитываются при расчете усилительных каскадов. По входной характеристике определяется входное сопротивление транзистора постоянному току в рабочей точке A r_{bx тр} = U_бэo /I_бо (рис. З.а). По семейству выходных характеристик определяют дифференциальный коэффициент передачи базового тока транзистора и выходную проводимость транзистора (рис. 3.б).

Режим работы транзистора, при котором во входную цепь включен источник сигнала, а в выходную - нагрузка, называют динамическим. Для анализа работы транзистора в динамическом режиме на семействе выходных характеристик строят нагрузочную прямую. Для схемы, представленной на рис. 4. при заданном сопротивлении в цепи коллектора R_K и питающем напряжении Е_к выражение

U_K=E_K-I_KR_K (3)

будет являться уравнением выходной цепи. Решая уравнение (3) относительно 1_К при U_K = 0 определяем максимальное значение тока в цепи коллектора (точка В на рис. 5).

Решая уравнение (3) относительно U_K при I_К = 0 получаем максимально возможное напряжение на коллекторе транзистора (точка С на рис. 5). Прямая ВС является геометрическим местом точек семейства статических выходных характеристик при заданных значениях Е_к и R_K и представляет собой динамическую характеристику.

Рис. 4. Схема усилительного каскада на транзисторе

Для обеспечения минимальных искажений выходного сигнала, рабочую точку А (режим покоя), выбирают на середине рабочего участка динамической характеристики. Место положения рабочей точки задается начальным базовым током I_бо (ток смещения) с помощью резистора R_б. При известных значениях Е_к и напряжении на переходе база-эмиттер U_бэ сопротивление определяется как R₆ = (Е_к — U_бэ)/I_б0.

Рис. 5. Графический метод анализа работы усилительного каскада

Коллекторный ток I_к0 в режиме покоя можно определить графически по выходным характеристикам транзистора (см. рис. 5.б) или по формуле

При подаче на базу напряжения входного сигнала U_BX изменяется потенциал базы относительно эмиттера. Это приводит к изменению тока базы, а следовательно, тока коллектора и напряжения на резисторе R_K. На этом резисторе кроме постоянной составляющей образуется переменная составляющая, которая через конденсатор С2 поступает на нагрузку R_H Конденсатор C1 предотвращает попадание на базу постоянной составляющей от источника сигнала в том случае если он ее содержит.

Экспериментальная часть

1. Статические вольт- амперные характеристики транзистора

1.1 .Получение входной характеристики транзистора включенного по схеме с общим эмиттером Соберите схему согласно рис. 6, предварительно выставив с помощью мультиметра на блоке питания БП-15 его выходное напряжение Е_п=10,6 В.

Рис. 6. Схема получения статических вольт- амперных характеристик транзистора. С помощью резистора R_n установите напряжение в цепи коллектора транзистора

U_кэ= 0.

1.2. Подключая поочередно в цепь базы резистор R_б с заданным номиналом (см. таблицу 1) измерьте для каждого Кб напряжение в базе транзистора U_бэ, полученные значения запишите в таблицу 1. При смене резистора R_б блок питания БП-15 рекомендуется выключать.

Таблица 1.

Rб (кОм)	47	100	220	470
Iб-(Еп-0.6)/Rб (мА)	0.2	0.1	0.05	0.09
ибэ (в)

По данным таблицы 1 постройте входную характеристику транзистора.

1.3. Получение семейства выходных характеристик транзистора Для получения характеристик используйте схему, приведенную на рис. 1.

1.4. Установите в цепь базы резистор R_б⁼ 47кОм. Подключите мультиметр к коллектору транзистора и , вращая ручку переменного резистора R_п установите напряжение в коллекторе транзистора U_Kэ=0,2 в.Измерьте напряжение U_n и запишите в таблицу 2.

Таблица 2

Кб (кОм)	UКэ	0,2	0,5	1,0	2,0	5,0	8,0,	10
47	Iк
100	Iк
220	Iк
470	Iк
680	Iк

Измерьте напряжения U_n для всех последующих значений U_K (см. таблицу 2).

1.5. Повторите п. 1.4 для каждого из номиналов резистора в цепи базы R_б указанных в таблице 2. Ток коллектора I_К рассчитайте по формуле I_K=(U_п-U_к.,)/R_K . По данным таблицы 2 постройте семейство выходных характеристик транзистора, проведите нагрузочную прямую для Е_п=6в и К_к=1кОм. На нагрузочной прямой укажите рабочую точку А для режима покоя транзистора, если в цепи базы установлен резистор R_б=220 кОм . Для рабочей точки А графически определите коэффициент передачи базового тока B_ст = I_к/I_б и входное сопротивление транзистора

2. Исследование работы усилителя на транзисторе

2.1. Получение амплитудной характеристики усилительного каскада усилительного каскада на транзисторе согласно рис. 7,

предварительно выставив с помощью мультиметра напряжение на выходе БП-15 Е_п=6в. Питающее напряжение Е_п подключается к схеме усилителя после проверки преподавателем правильности ее сборки.

Рис.7. Схема усилительного каскада на транзисторе.

2.2. С генератора ГЗ-111 на вход усилителя подайте синусоидальный сигнал частотой Р_г=1кГц и амплитудой U_{BX т}=10мв (контролируется осциллографом). Измерьте выходное напряжение усилителя U_{вых m} (рис.2) и результат измерения занесите в таблицу 3.

Таблица 3.

UBX m	1мВ	2мВ	3мВ	5мВ	7мВ	10мВ	20мВ	40мВ
uвых m

Повторите измерения U_{вых m} для всех значений входного сигнала U_BXm согласно таблице 3. По данным таблицы 3 постройте амплитудную характеристику усилительного каскада. На середине линейного участка амплитудной характеристики определите коэффициент усиления каскада К_уc=U_вых._m /U_BXm.

Отчет о проделанной работе

Отчет о проделанной работе должен содержать:

1. Название и цель работы,

2. Схему получения характеристик транзистора (рис. 1). Экспериментально полученные данные для таблиц 1, 2. Входную и семейство выходных характеристик транзистора с нагрузочной прямой.

3. Схему усилительного каскада рис. 2, экспериментально полученные данные для таблицы 3, амплитудную характеристику усилительного каскада.

4. Экспериментально полученные данные для п. 2.3.

Контрольные вопросы

1. Объясните принцип построения нагрузочной прямой на семействе выходных характеристик транзистора.

2. Объясните причину различия реальной и идеальной амплитудных характеристик усилителя на примере семейства выходных характеристик транзистора.

3. Влияет ли выбор режима транзистора по постоянному току на искажения в выходном сигнале, если да, то как?

4. Как изменится положение нагрузочной прямой при изменении нагрузки в цепи коллектора R_K, при изменении питающего напряжения Е_п ?

5. Зависит ли коэффициент усиления К_ус транзисторного каскада от величины нагрузочного резистора в цепи коллектора R_K, если да , то как ?

Литература

1. Ефимчик М. К., Шушкевич С. С. Основы радиотехники: Для физ. спец. ун­тов. 2-е изд., перераб. и доп. Мн.: изд-во "Университетское", 1986.

2. Гусев В. Б. Электроника: Уч. пособие для студ. вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М,: изд-во "Высшая школа", 1991.

3. Захаров В. К., Лыпарь Ю. И. Электроные устройства автоматики и телемеханики: Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. Л.: "Энергоиздат", 1984.

Лабораторная работа №5 Генераторы электрических сигналов.

Цель работы: Изучение принципов построения и работы схем генераторов сину­соидальных сигналов. Измерение амплитудно-частотной и фазо-частотной характери­стик методом фигур Лиссажу.

Краткие теоретические сведения

Генератор электрических колебаний представляет собой электронное устройст­во, преобразующее энергию источника питания в энергию незатухающих колебаний. Структурная схема генератора электрических сигналов (см. рис.1) состоит из источника питания, усилителя и цепи обратной связи (ОС)

Рис. 1. Структурная схема генератора.

При замкнутой петле ОС, генератор будет самовозбуждаться, если для некоторой частоты ω₀ выполняются условия

(1)

(2)

где φ_к (ω₀) и φ_β(ω₀) - сдвиг фазы сигнала в усилителе и цепи ОС, β(ω₀) и К(ω₀) - ко­эффициент передачи цепи ОС и коэффициент усиления усилителя. Выражение (1) получило название баланс фаз и говорит о том, что начальная фаза сигнала, вернувшегося по петле ОС на вход усилителя, совпадает с начальной фазой входного сигнала. Выражение (2) называют балансом амплитуд, которое означает, что амплитуда сигнала, вернувшегося по петле ОС, больше амплитуды входного сигнала. Произведе­ние βK называют петлевым усилением.

Для генераторов различают "мягкий" и "жесткий" режимы возбуждения. При "мягком" режиме петлевое усиление больше единицы. В этом случае любые возмущения (например на входе усилителя при включении питающего напряжения) усиливаются и по цепи ОС подаются на вход в фазе совпадающей с фазой входного (возмущающего) сигнала. Причем величина сигнала на выходе цепи ОС больше того возмущения, которое вызвало его появление. В итоге случайно возникшее возмущение приводит к непрерывному нарастанию выходного сигнала. Нарастание выходного сигнала ограничивается нелинейными свойствами усилителя, т.е. при определенном уровне сигнала в системе коэффициент усиления начинает уменьшаться. При выполнении условия βК=1 амплитуда автоколебаний стабилизируется.

При "жестком" режиме возбуждения петлевое усиление в системе меньше еди­ницы и для возникновения автоколебаний необходим дополнительный внешний сигнал определенной амплитуды.

Характерной особенностью генераторов синусоидальных сигналов является наличие, в цепи их ОС, компонентов с резонансными или избирательными свойствами. Благодаря им условия возникновения автоколебаний (βК > 1 , φ_к+ φ_β= 2πn) выполняются в определенной полосе частот ΔF. Причем, параметры избирательной цепи выбирают так, чтобы условия возникновения колебаний выполнялись для возможно более узкой полосы частот ΔF, т.к. чем больше ΔF, тем существеннее отличается форма выходного сигнала от синусоидальной. Следовательно, для уменьшения искажений выходного сигнала петлевое усиление, а именно коэффициент передачи β и коэффициент усиления К должны иметь вполне конкретные величины. Так например, при использо­вании в цепи ОС моста Вина (см. рис. 2) его коэффициент передачи

(3)

где . Если R₁ = R₂ = R и С₁ = С₂ = С то (3) примет вид:

Коэффициент β будет вещественным на частоте ω₀ , если мнимая часть будет равна нулю,

ωRC-l / ωRC = 0

откуда частота генерации ω = 1/ RC, т. к. на этой частоте β = 1/3, то коэффициент усиления усилителя К=3.

Рис. 2. Генератор с мостом Вина.

Для генерации высоких частот используют генераторы с LC-контуром (см. рис. За, б, в). В генераторах данного типа форма выходного напряжения весьма близка к гармонической. Это обусловлено хорошими фильтрующими свойствами LC-контура. Сущность самовозбуждения генераторов LC-типа заключается в следующем. При включении источника питания конденсатор колебательного контура заряжается. В кон­туре возникают затухающие автоколебания, причем часть напряжения (тока) колебаний подается на управляющие электроды активного элемента, образуя положительную обратную связь (ПОС). Это приводит к пополнению энергией LC-контура и автоколебания превращаются в незатухающие. Частота колебаний определяется резонансной частотой LC-контура .

Рис. 3. LC-генераторы а -с трансформаторной ОС, б - емкостная трехточка, в - индуктивная трехточка.

Экспериментальная часть

1. Генератор с мостом Вина

1.1 Соберите схему генератора с мостом Вина (рис. 4)

Рис. 4 Схема генератора.

1.2 Цепь ПОС, обозначенную пунктиром, замкните, и включите питающее на­пряжение. Изменяя положение движка переменного резистора R2 установите режим генерации. Подберите положение движка резистора R2, при котором выходное напря­жение максимально по амплитуде, но еще сохраняет синусоидальную форму. Измерьте амплитуду выходного сигнала U_ВЫХ генератора, частоту генерируемого сигнала f₀ и напряжение в точке "А". Определите коэффициент передачи избирательной цепи

β = U_А/U_вых

Сравните полученные данные с расчетными

β =1/3 и ω₀=l/RC

1.3. Разомкните цепь ПОС и соберите схему согласно рис. 5

Рис. 5. Схема измерения АЧХ и ФЧХ

Снимите АЧХ и ФЧХ разомкнутой цепи методом фигур Лиссажу. Для этого ус­тановите на выходе генератора напряжение U_г < U_вых и получите осциллограмму со­гласно рис. 6.

Рис. 6. Осциллограмма фигуры Лиссажу.

Выходное напряжение U_l5b[X, а также величины L и 1 определите непосредственно по масштабной сетке для частот, указанных в таблице. Модуль синуса сдвига фаз и петлевое усиление определите как sin |φ | = 1 / L и Кβ = U_вых / U_г По данным таблицы постройте графики зависимости

Kβ = f(F) и sinφ = f(F)

Таблица

F,Гц	80	100	150	200	250	300		400	500	600	800	900	1000	1500
Uвых,B
Kβ
sinφ

Для точки нулевой фазы (эллипс сжимается в линию) измерьте частоту f₀ и коэффициент передачи К₀ с максимальной точностью. Для определения знака фазы подайте сигнал вместо входа X на вход внешней синхронизации и для крайних частот (80 и 1500 Гц) определите, где фаза выходного сигнала опережает входной (знак плюс), а где отстает (знак минус). С учетом монотонности кривой расставьте знаки по всей таблице.

Отчет о проделанной работе

Отчет о проделанной работе должен содержать

1. Название и цель работы;

2. Схему (рис.4), экспериментальные и расчетные данные по п. 1.2.;

3. Схему (рис.5), осциллограмму фигуры Лиссажу (рис.6), экспериментальные дан­ные по п. 1.3.;

4. Схему (рис.7), экспериментальные данные по п.2.2.

Контрольные вопросы

1. Чем определяется режим самовозбуждения автогенераторов?

2. Чем объяснить применение RC-генераторов в низкочастотной части диапазо­на, a LC- в высокочастотной?

3. Объясните, что такое режим "мягкого" и "жесткого" возбуждения генератора.

4. Почему в RC-генераторах применяют специальные нелинейные цепи для ог­раничения роста амплитуды?

5. Чем обеспечивается выполнение условия баланса фаз в RC-генераторах?

Литература

1. Ефимчик М.К., Шушкевич С.С. Основы радиоэлектроники: Для физ. спец. ун­тов.-2-е изд., перераб. и доп.- Мн.: изд-во "Университетское", 1986.

2. Каяцкас А. А. Основы радиолектроники: Учебное пособие для студентов вузов по спец. "Конструирование и пр-во радиоаппаратуры".-М.:Высш. шк.,1988.

3. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учебное пособие для студентов приборостроительных спец. вузов.-2-е изд., перераб. и доп.-М.: Высш. шк.,1991.

Лабораторная работа №6. ГЕНЕРАТОР на триггере Шмитта

Рассмотрим элемент триггер Шмитта – цифровой элемент, обладающий большим коэффициентом усиления, на выходе которого стоит формирование сигналов, выходной сигнал представляется в виде «0» и «1». Кроме того, триггер Шмитта обладает эффектом гистерезиса. Когда напряжение на входе нарастает, то при этом в триггере Шмитта работает верхний порог срабатывания, когда входящий сигнал уменьшается - срабатывает нижний порог.

Положим, что в исходном состоянии (до момента времени t₀ = 0 ) напряжение питания на триггере Шмита (E) отсутствует, конденсатор разряжен полностью, в момент времени t₀

Рис.4.2.1

Генератор на триггере Шмитта.

U₁

U_в

U_н

0

t₁ t₂ t

U₂

E

0

t₁ t₂ t

Рис. 4.2.2

подается напряжение питания, при этом на выходе триггера Шмитта напряжение становится равным 1(Е). Конденсатор С начинает заряжаться, ток заряда потек с выхода триггера Шмитта через резистор R, конденсатор С на общую шину. В момент времени t₁ (рис. 4.2.1) напряжение на конденсаторе достигает верхнего порога срабатывания. При этом триггер Шмитта срабатывает и на выходе формируется «0». Конденсатор С начинает разряжаться, ток разряда протекает от общей шины через конденсатор С, резистор R на выход триггера Шмитта. В момент времени t₂ напряжение на конденсаторе становится равным нижнему порогу срабатывания. Триггер Шмитта срабатывает и на его выходе формируется 1(Е). Далее процесс продолжается циклически.

2. Генератор на триггере Шмитта.

Соберите схему см. рис. 7

Рис.7

Зарисуйте осциллограммы на входе и на выходе триггера. Определите частоту следования импульсов. Постройте зависимость частоты следования импульсов от емкости конденсатора, для емкостей представленных в таблице.

С, пф	2200	3300	4700	6800
f, Гц

Сравните полученные значения с расчетной формулой

Лабораторная работа №7 Частотозависимые цепи

Цель работы: изучение принципов построения и работы электриче­ских фильтров. Освоение методики измерения амплитудно- частотных ха­рактеристик фильтров низкой частоты, высокой частоты и полосового фильтра.

Краткие теоретические сведения

В цепях радиоэлектронных устройств одновременно протекают токи самых различных частот. Часто возникает необходимость отделения токов одних частот от токов других. Эта задача решается с помощью устройств, получивших название электрические фильтры. Работу фильтра достаточно наглядно отображает его амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), представляющая собой зависимость коэффициента передачи фильтра от частоты входного сигнала K=f(ω), где K⁼⁼U_вых/U_вх, a U_вх и U_вых- амплитуды входного и выходного сигналов фильтра.

Из спектра колебаний, поступающих на вход электрического фильт­ра, на выход проходят лишь те составляющие, которые расположены в оп­ределенной области частот. Область частот, для которой фильтр имеет! / близкий к единице коэффициент передачи К, называется полосой (зоной) пропускания (прозрачности) фильтра, остальные частотные области - no_:j лосой задержания (затухания). В полосе задержания К<<1. В полосе про­пускания для идеального фильтра вся мощность подводимого сигнала (ко­лебания) передается в нагрузку, в полосе задержания мощность полностью отражается к источнику, т.е., сопротивление идеального фильтра является чисто активным в полосе пропускания и чисто реактивным в полосе за­держания.

По частотным характеристикам различают четыре основных типа фильтров (см. рис. 1). Фильтр нижних частот (ФНЧ)- пропускает сигналы с частотой от 0 до некоторого значения ω_в, фильтр верхних частот (ФВЧ) - пропускает сигналы с частотой не ниже некоторого заданного значения ω_н , полосовой фильтр (ПФ) имеет полосу пропускания от ω_н до ω_в, режек-торный фильтр (РФ) пропускает сигналы с частотами , лежащие вне ин­тервала ω_н, ω_в. В реальных фильтрах нет резкого перехода от зоны пропус­кания к зоне подавления.

Рис.1. Частотные характеристики фильтров, а- ФНЧ, б- ФВЧ, в-ПФ, г- РФ

Критерием раздела этих зон принято считать частоту , при которой коэффициент передачи фильтра уменьшается в раз (в ло­гарифмическом масштабе соответствует уровню 3дБ) по сравнению со своим максимальным значением, такая частота называется частотой среза или граничной частотой и относится к одному из основных параметров фильтра.

Электрические фильтры делятся на пассивные и активные. Пассивные фильтры построены на основе пассивных R,L,C элементов. Активные фильтры кроме R,L,C элементов содержат активные приборы: транзисторы и операционные усилители. Схемы пассивных электрических фильтров представляют собой четырехполюсник выполненный как лестничное соединение Г,Т или П- образных звеньев (см. рис. 2) где Z₁ и Z₂ - частотно- зависимые элементы.

Фильтры, к характеристикам которых не предъявляется высоких требований, могут быть построены и на R, С - элементах. Примеры схем таких фильтров приведены на рис. 3. R,C- цепи чаще всего применяют в активных фильтрах, включая их в цепи обратной связи и получая при этом фильтры с весьма малыми габаритами и удовлетворительными для многих применений характеристиками.

Рис. 3. Схемы фильтров на основе КС-элементов: а - ФНЧ; б - ФВЧ; в - ПФ; г - РФ.

Для ФНЧ и ФВЧ (рис. 3) частота среза определяется по формуле F_cp = 1/2πRС, для полосового фильтра (мост Вина) при условииR₁=R₂=R и С₁=С₂=С максимальный коэффициент передачи будет на частоте F₀ = 1/2πRС. Так же будет определяться и частота максимального затухания для режекторного фильтра (двойной Т-мост) при условии С₂=2С₁, и R₁, =2R₂.

Интегрирующие и дифференцирующие свойства RC-цепей

Рассмотрим RC-цепь представленную на рис За. Выходное напряже­ние для этой цепи будет определяться напряжением на емкости С то есть

Согласно закону Ома для участка последовательной цепи ток

i_c=i_R=U_R/R

следовательно,

где τ = RC. При условии τ >> Т_и напряжение U_c за время действия вход­ного импульса (см. рис. 4) возрастает незначительно, то есть можем счи­тать что U_BX << U_R в интервале от t₁ до t₂. Тогда выходное напряжение бу­дет определяться как

из чего следует, что в интервале от t₁ до t₂ выходное напряжение пропор­ционально интегралу от входного напряжения. Это свойство цепи и опре­делило ее название как интегрирующей.

Рис. 4. Временная диаграмма входного и выходного напряжений

интегрирующей цепи

Р ассмотрим RC-цепь представленную на рис. З.б. Выходное напря­жение для этой цепи будет определяться напряжением на резисторе R, таккак i_r = i_c и - то напряжение на резисторе

Для случаев когда τ<<Т_и (см. рис. 5) можно считать, что конденсатор полностью заряжен и ток в RC-цепи близок к нулю, пренебрегаем слагае­мым U_R в сумме U_BX = U_c + U_R и считаем U_BX ≈ U_c, тогда

где τ = RC, то есть выходное напряжение пропорционально производной от входного напряжения по времени. Данное свойство цепи определило ее название как дифференцирующей.

В заключении следует отметить, что интегрирование и дифференци­рование с помощью простейших RC-цепей (рис. 3а, 3б) выполняется с оп­ределенной степенью погрешности, что при необходимости требуется учи­тывать.

Рис. 5. Временные диаграммы входного и выходного напряжения

дифференцирующей цепи.