Радиоэлектроника

Основы электроники

1. Цель работы

— теоретическое изучение операционного усилителя ( ОУ );
— экспериментальное исследование двухкаскадного усилителя на базе ОУ.

2. Основные теоретические положения

Операционным усилителем называется интегральная микросхема, представляющая собой усилитель постоянного тока с параметрами, приближающимися к идеальным. Это — очень высокий коэффициент усиления (сотни тысяч), практически бесконечно большое входное и малое ( десятки Ом ) выходное сопротивление, устойчивость к воздействию помехи и др.
Частотная характеристика ОУ не имеет резкого спада в области низких частот, а верхняя граничная частота имеет достаточно большое значение (сотни мегагерц).
ОУ строится по двух- или трехкаскадной схеме. Входным каскадом ОУ является балансный дифференциальный усилитель, имеющий два сигнальных входа.
Питание ОУ осуществляется, как правило, от двух разнополярных источников питания одинакового напряжения. Условное обозначение ОУ представлено на рис. 1.

рис. 1.

Верхний на рисунках вход ОУ называется неинвертирующим входом (при подаче сигнала на этот вход фаза сигнала на выходе совпадает с фазой входного), а нижний — инвертирующим входом (при подаче сигнала на этот вход фаза сигнала на выходе противоположна фазе входного ).
Поскольку коэффициент усиления собственно ОУ очень велик, то использование его в качестве усилителя возможно лишь при охвате его отрицательной обратной связью (при отсутствии ООС даже крайне малый сигнал “шума” на входе ОУ даст на выходе ОУ напряжение, близкое к напряжению насыщения).
Наиболее типичные схемы усилителя на базе ОУ имеют вид, представленный на рис. 2. Коэффициенты усиления таких усилителей определяются параметрами цепи ООС и формулы для их вычисления приведены на рисунке.

рис. 2

Амплитудные передаточные характеристики инвертирующего и неинвертирующего усилителей с обратной связью представлены на рис. 3. (соответственно 3-а и 3-б ).

рис. 3

Наклон рабочего участка характеристики определяется, очевидно, коэффициентом ( К ) усиления каскада.
На характеристиках имеются ярко выраженные участки насыщения, которые характеризуются тем, что, начиная с некоторого значения входного напряжения Uвх max , выходное напряжение не увеличивается, а остается постоянным на уровне некоторого значения нас , которое определяется напряжением питания микросхем ОУ. Обычно нас меньше напряжения питания п на ( 1 — 3 В).
При усилении переменного напряжения участок насыщения проявляет себя тем, что амплитуда выходного напряжения не увеличивается, а остается на уровне нас , и появляются нелинейные искажения, возрастающие с ростом входного сигнала, ( рис. 4. ).

рис.4

3. Описание объекта и средств исследования.
Схема лабораторной установки представлена на рис. 5.

рис.5
3.1. Предметом исследования в настоящей лабораторной работе является двухкаскадный усилитель, собранный на ОУ — микросхемах ДА1 и ДА2 — К 140УД8А.
Значения резисторов схемы R1 = R2 = R4 = R5 = 2.2 кОм;
R3 = R6 = 10 кОм.
ОУ питаются от источника симметричного напряжения 10 В.
В схеме предусмотрены контрольные точки для визуализации и измерения сигналов
1) на входе усилителя “ГС1” ,
2) на выходе первого — входе второго каскадов “Вх1” ,
3) на выходе усилителя “Вх2” .
3.2. Усиливаемый сигнал синусоидальной формы подается на усилитель от измерительного генератора типа ЛЗ1.
Для этого на генераторе, установленном на лабораторном стенде слева, необходимо нажать клавишу “ ~ “ под надписью “род работы “ и снимать сигнал с выхода “10V” , соединив его кабелем с гнездами “вход ГС1“ лабораторного стенда. Изменение уровня выходного сигнала осуществляется ручкой “уровень“.
В генераторе не предусмотрено измерение выходного сигнала для установления его значений. Поэтому для установки заданной величины выходного сигнала следует пользоваться дополнительными измерительными приборами (здесь Н3014).
Частота генератора задается с помощью кнопочного переключателя “множитель“ и ручки плавного изменения частоты — “частота“. При этом частота сигнала определяется по показанию светового индикатора по шкале “кГц” и значению одного из множителей ( 0.01 — 100 ).
3.3. Наблюдение и измерение сигналов на входе и выходе усилителя осуществляется с помощью осциллографического мультиметра Н3014.
3.3.1. Мультиметр может подключатся попеременно к трем контрольным точкам схемы “ГС1” , “Вх1” и “Вх2” .
Примечание. Обозначение контрольных точек обусловлено конструкцией лабораторного стенда и никакой смысловой нагрузки в контексте настоящей лабораторной работы не несет !
Вход “Y” мультиметра соединяется кабелем с гнездами “выход V~” на лабораторном стенде, а подключение его к контрольным точкам осуществляется нажатием кнопок “ГС1”, “Вх1” и “Вх2” под надписью “контроль V~” лабораторного стенда. При этом следует убедиться, что кнопка “ВСВ / ВНК” под надписью “коммутатор” левая — нажата, правая — отжата.
3.3.2. Измерение сигнала с помощью мультиметра производится по устойчивому изображению этого сигнала на экране мультиметра с помощью двух маркерных знаков, которые появляются на экране при нажатой кнопке рода измерения “~V” и отжатой кнопке “N”.
Маркеры представляют собой две яркие точки, расположенные одна под другой по вертикали. Маркеры перемещаются в направлении
слева-направо — ручкой “ ”
сверху-вниз — ручкой “ “
Расстояние по вертикали между маркерами изменяется ручкой “ V , t “ и измеряется в вольтах на “встроенном” в экран цифровом табло, местоположение и размер которого регулируются ручками “” , “” и “N .
Таким образом, если изображение исследуемого сигнала с маркерными знаками на нем выглядит, например, так

то двойная ампитула сигнала 2Um = 4.52 В, т.е. Um = 2.26 В или действующее значение .
Примечание Можно, конечно, сразу установить маркерные знаки между точками, характеризующими действующее значение синусоидального напряжения, но точность измерения при этом очень низкая.
3.3.3. Получение устойчивого изображения сигнала на экране мультиметра осуществляется ручками “t” и “стаб.” (при этом в данной лаболаторной работе кнопки “IMS” и “x10” — нажаты, а с увеличением частоты следует отжимать кнопку “x10”).
3.3.4. Установка изображения в пределах экрана по вертикали осуществляется ручками “~”, “ ~ “ и кнопочным переключателем “1” , “100” и “1000”.
Числовое значение у нажатой кнопки показывает предел измерения величины сигнала по цифровому табло на экране.

4. Порядок выполнения работы.

4.1. Снятие передаточной ( амплитудной ) характеристики усилителя.
4.1.1. Установить на генераторе Л31 частоту выходного сигнала = 1 кГц.
4.1.2. Подключить мультиметр к выходу генератора ( клемма “ГС1” ) ; получив на экране устойчивое изображение сигнала с генератора (см. пункт 3.3.3.) и измерив его , установить на его выходе с помощью ручки “уровень” 2Um ген= 0.1B = 2Um вх .
4.1.3. Переключить мультиметр на выход первого каскада усилителя (“Вх1”) и, установив изображение в пределах экрана ручками управления мультиметра (см. пункт 3.3.4.), измерить значение напряжения 2Um I .
4.1.4. Переключить мультиметр на выход усилителя (“Вх2”) и измерить значение напряжения 2Um вых .
4.1.5. Повторить п.п. 4.1.2. — 4.1.4. для ряда значений 2Um вх из табл. 1 и данные измерений занести в эту таблицу.

Таблица 1

2Um вх (В)
0.1
0.5
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
2.0

2Um (В)

2Um вых (В)

4.1.6. По результатам измерений построить г рафик зависимости Um вых = f ( Um вх ) и определить диапазон входных напряжений

Um вх мин = Um вх = Um вх макс ,

соответствующий рабочему участку характеристики.
4.1.7. В пределах рабочего участка передаточной характеристики усилителя определить по экспериментальным данным коэффициенты усиления каждого каскада усилителя в отдельности и усилителя в целом и сравнить их с ожидаемыми, полученными в результате расчета по данным схемы усилителя (рис. 3.1.) .
4.2. Снятие амплитудно-частотной характеристики ( АЧХ ) усилителя.
4.2.1. Установить на выходе генератора — входе усилителя напряжение 2Um вх в пределах рабочего участка передаточной характеристики усилителя (мультиметр подключен к точке “ГС1”) .
4.2.2. Измерить напряжение на выходе усилителя “2Um вых” с помощью мультиметра ( мультиметр подключен к точке “Вх2” ) для различных значений частоты входного сигнала ( устанавливаемой так, как это описано в пункте 3.2.), взятых из таблицы 2. Результаты измерения занести в таблицу 2.

таблица 2

F ( Гц)
20
100
1000
2*103
10*103
20*103
100*103
200*103
300*103

2Uвых (В)

К / К0

2Um вх = . . .

4.2.3. Рассчитать значения К и К / К0 и занести их в таблицу 2 ( К0 — значение коэффициента усиления на частоте 20 Гц ) .
4.2.4. Построить график зависимости

и определить рабочую полосу частот усилителя для коэффициента частотных искажений М = 3 дб.
4.3. Сделать выводы по проделанной работе, исходя из результатов измерений.

5. Содержание отчета

1. Название и цель работы.
2. Схема лабораторной установки.
3. Таблицы измерений.
4. Формулы для расчета и расчет искомых параметров.
5. Выводы по работе.

6. Контрольные вопросы

1. Что называется операционным усилителем ?
2. Каков порядок величин основных параметров ОУ ?
3. Сколько и какие входы у ОУ ? Почему они так называются ?
4. Чем объясняется необходимость введения отрицательной обратной связи в схемах усилителей на базе ОУ ?
5. Какова нижняя граница частотного диапазона работы ОУ ?
6. Чем определяется коэффициент усиления на базе ОУ ?
7. Какими параметрами усилителя на базе ОУ определяется диапазон входного напряжения усилителя ?
8. Чем определяется максимальное значение напряжения на выходе ОУ?

7. Список рекомендуемой литературы.

1. Забродин Ю.С. Промышленная электроника — М. Высшая школа, 1982.
2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Ч. I, II Пер. с. англ. / Под. ред. М.В. Гальперина — М. Мир., 1983.
3. Основы промышленной электроники / Под ред. В.Г. Герасимова — М. Высшая школа , 1986.
4. Щербаков В.И., Гредов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях Справочник. — Киев Техника, 1983.

1. Цель работы

Исследование возможности ступенчатого изменения коэффициента усиления усилителя на ОУ в некоторых пределах с заданием величины его в виде цифрового кода.

2. Основные теоретические положения.

Как известно, коэффициент усиления инвертирующего усилителя на ОУ (рис. 2.1.) определяется выражением

К = Roc / Rвх , ( 1 )

рис. 1.

Для изменения коэффициента усиления, очевидно, необходимо изменение значения сопротивления входной цепи Rвх или сопротивления цепи обратной связи Rос или обоих вместе.
Включив в схему усилителя в качестве сопротивлений Rвх и Rос ступенчато, предусмотрев для этого группы резисторов так, как это показано, например, на рис. 2.

рис. 2.

Здесь сопротивление Rвх может принимать значение сопротивления R1 либо R2, либо R1+R2 в зависимости от того, замкнуты или разомкнуты ключи SA1 и SA2.
Аналогично и с сопротивлением в цепи обратной связи, где его значение определяет уже состояние ключей SA3 и SA4.
И если теперь состоянию “замкнуто” ключей присвоить символ “0”, а “разомкнуто” — “1”, то каждому из ряда значений коэффициентов усиления будет соответствовать свой четырехсимвольный цифровой код, читаемый слева-направо для ключей SA1 — SA2 соответственно. Так, например, код 0101 будет соответствовать коэффициенту усиления К, определяемому выражением

K = R5 / R2 ,
или код “1111” — К = ( R4 + R5 ) / ( R1 + R2 ) ,
или код “1011” — К = ( R4 + R5 ) / R1 .

И, наконец, если ключи SA1 — SA2 выполнить не механическими, как это показано на рис. 1., а электрическими, то требуемый коэффициент усиления можно задавать на ЭВМ, в виде указанного двоичного кода.

3. Описание объекта и средств исследования

Электрическая принципиальная схема исследуемого в лабораторной работе усилителя представлена на рис 3.

рис. 3.

3.1. Схема включает в себя ОУ-ДА (микросхема КР140УД8А), а резисторы R1 — R4 входной цепи и цепи обратной связи, электронные ключи на полевых транзисторах VT1 и VT2 (КП103Л), кнопки SA1 и SA2 задания цифрового кода.
3.2. Значения резисторов схемы
R1 = 2 кОм, R2 = R3 = 16 кОм, R4 = 18 кОм.
3.3. Кнопками А1 и А2 имитируются символы “0” или “1” цифрового кода. Причем подача на затвор транзисторов с каналом р-типа напряжения +5В соответствует символу “1”, а 0В ( ) — символу “0”.
Кнопки SA1 и SA2 расположены на передней панели блока управления К32 в левой части под надписью “Программатор кодов”. Нажатие кнопки соответствует подаче символа “1” ( при этом загорается светодиод около кнопки ), отжатое состояние — символ “0” (светодиод погашен ).
3.4. Сигнал на вход усилителя подается с измерительного генератора Л31. Для этого надо соединить дополнительным проводом гнездо на передней панели “ГС1” с гнездом на плате “XS1”, а кнопку “ВсВ / ВнК” над гнездом “ГС1” и аналогичную кнопку в поле надписи “ГН1” на передней панели К32 нажать.
3.5. Сигналы на входе и выходе усилителя измеряются с помощью осциллографического мультиметра Н3014 так, как это делалось при проведении предыдущей лабораторной работы на этом стенде.
Мультиметр подключается по входу усилителя при нажатии кнопки “ГС1” под надписью “Контроль V ~ ” и к его выходу при нажатии кнопки “ВХ2” (при этом правая кнопка “ВсВ / ВнК” под надписью “Коммутатор” должна быть отжата.
4. Порядок выполнения работы.

4.1. Расчетная часть.
4.1.1. Пользуясь значениями сопротивления резисторов R1 — R4, приведенными в пункте 3.2., и формулой ( 1 ), рассчитать значения коэффициента усиления усилителя, которые может обеспечить усилитель по схеме, приведенной на рис. 3.1.
4.1.2. Пользуясь сведениями и раздела 2 поставить в соответствие полученным значениям коэффициента усиления цифровые коды из символов “0” и “1”, соответствующих состоянию кнопок SA1 и SA2 (см. п. 3.3.).
Полученные результаты занести в таблицу 1.

таблица 1

Красч.
1

Код
10

4.2. Снять передаточную характеристику усилителя.
4.2.1. Установить, задавая цифровой код кнопками SA1 и SA2, значение коэффициента усиления усилителя приблизительно из середины диапазона его изменения.
4.2.2. Установить на выходе генератора синусоидальный сигнал частотой F = 1 кГц.
4.2.3. Изменяя значение напряжения на входе усилителя и пользуясь указаниями п. 3.6., снять передаточную характеристику Um вых = f ( Um вх ) и результаты занести в таблицу 2.
таблица 2.

Um вх (В)
0.1
0.4
. . .
1.2
1.4
. . .
2

Um вых (В)

4.2.4. По результатам измерений построить график зависимости Um вых = f ( Um вх ).
4.3. Экспериментально определить значения коэффициентов усиления усилителя и сравнить их с расчетными значениями, полученными при выполнении п. 4.1.1. Для этого
4.3.1. Устанавливая кнопками SA1 и SA2 значения коэффициента усиления усилителя при напряжении на входе Um вх = 0.5 В, измерить напряжение на выходе усилителя Um вых .
Результаты измерений занести в таблицу 3.
таблица 3.

Красч.
Код
Um вх (В)
Um вых (В)
Кэксп.

1
“10”
0.5

0.5

4.4. Снять амплитудно-частотную характеристику усилителя.
4.4.1. Установить максимальный коэффициент усиления усилителя и, изменяя частоту входного сигнала при постоянном входном напряжении Um вх = 0.5 В, измерить напряжение на выходе усилителя. Данные измерений занести в таблицу 4.
таблица 4.

F (кГц)
0.02
0.05
. . .
1
. . .
20
. . .
300
400

Um вых (B)

K / K0

где К0 — коэффициент усиления на минимальной частоте.
4.4.2. Построить график амплитудно-частотной характеристики.

5. Содержание отчета

1. Название и цель работы лабораторной работы.
2. Схема электрическая принципиальная исследуемого усилителя.
3. Таблицы с данными.
4. Графики характеристик.
5. Выводы по работе.

6. Контрольные вопросы

1. Чем определяется коэффициент усиления усилителя на ОУ ?
2. Каковы способы регулировки коэффициента усиления усилителя ?
3. Как работает простейший электронный ключ на полевом транзисторе ?
4. При подаче каких напряжений полевой транзистор с каналом р-типа открыт ( закрыт ) ?
5. Изобразите передаточную характеристику полевого транзистора с ка налом р-типа.
6. Объясните ход АЧХ усилителя на ОУ.

7. Список рекомендуемой литературы.

1. Цель работы.

Целью работы является экспериментальное исследование выпускаемого промышленностью аналогового компаратора электрических сигналов типа К5554 СА2.

2. Основные теоретические положения.

Простейшим аналоговым компаратором, как известно, является операционный усилитель без ООС (рис. 1).

рис. 1.

При подаче на один из входов ОУ входного, а на другой — опорного напряжений, момент их равенства отмечается компаратором сменой уровня напряжений на выходе с “+Uнас” на “-Uнас” или наоборот (см. Эпюры на рис. 1). Передаточная характеристика приведенного компаратора представлена на рис. 2.
Приведенный выше компаратор относится к двухвходовым, в отличие от одновходовых компараторов, одна из схем которых представлена на рис. 3.

рис. 2.

рис. 3.
Нетрудно показать, что напряжение, при котором произойдет срабатывание компаратора, U порога, определяется выражением

Uпор = — Uоп R1 / R2 , . . . (1)

Если теперь на компаратор (рис. 3) подать периодическое входное напряжение, то на выходе его формируется также периодическое напряжение типа “несимметричный меандр” (рис. 4).

рис. 4.

Зная закон изменения входного сигнала и параметры элементов схемы компаратора, можно определить временные параметры выходного сигнала t1 и t2 на рис. 4.
Выпускаемые промышленностью компараторы включают в себя, кроме ОУ, схему формирования уровня сигнала с тем, чтобы его можно было непосредственно подавать на вход цифровых интегральных микросхем.
Передаточная характеристика одного из таких компараторов может, например, иметь следующий вид (рис. 5).

рис. 5.

Здесь U1 и U0 — уровни напряжения, соответствующие логической “1” и логическому “0” на входах цифровых микросхем.
Примером такого компаратора является микросхема К554СА2, исследуемая в данной работе.

3. Описание объекта и средств исследования.

Схема исследуемого узла представлена на рис. 6. Узел включает в себя блок компаратора и элементы испытательного устройства К32.

рис. 6.

3.1. Блок представляет собой одновходовый компаратор на микросхеме ДА-К554СА2, имеющей следующие электрические параметры
— напряжение питания UП1 = +12 В, UП2 = -6 В ;
— уровни сигналов на выходе U1 = ( 2.5 — 4 ) B ; U2 = 0.3 B ;
— время переключения выходного напряжения с низкого на высокий уровень tзад0.1 = 130 нс.
3.2.. Опорное напряжение подается через резистор R1 = 2.2 кОм со встроенного (в блок К32) генератора постоянного напряжения — ГН2, органы управления величиной напряжения которого расположены на передней панели блок а К32 в поле надписи “ГН2”. Напряжение с генератора ГН2 контролируется мультиметром Н3014 при нажатии кнопки “ГН2” под надписью “контроль V = “; на мультиметре при этом должна быть нажата кнопка “ — V ” рода измерения.
3.3. На неинвертирующий вход компаратора ДА кроме постоянного напряжения подается еще и переменный сигнал треугольной формы с генератора Л31, установленного на блоке К32 слева. Органы выбора формы сигнала, установки частоты сигнала и регулировки уровня (амплитуды) сигнала расположены на передней панели генератора. Сигнал с генератора снимается с выхода “10 B”, имеющего выходное сопротивление rвых = 500 Ом. Его значение необходимо учитывать в дальнейшем при расчете порогового значения напряжения компаратора (п.4.1.3) , аналогично значению сопротивления резистора R1 на схеме рис.3.
Подключение мультиметра к выходу генератора для наблюдения формы сигнала и установки его заданной амплитуды производится нажатием кнопки “ГС1”под надписью “Контроль V ~”.
3.4. Наблюдение формы и измерение параметров выходного сигнала с компаратора осуществляется подключением мультиметра к выходу последнего нажатием кнопки “ Вх2”под надписью “Контроль V~”. Для измерения амплитуды или временных параметров выходного сигнала (а равно и напряжения с генератора ГС1) на мультиметре должны быть нажаты кнопки рода измерения соответственно, “~V” или “t”.

4. Порядок выполнения работы.

4.1. Пользуясь теоретическим материалом настоящей работы и конспектом лекций, самостоятельно разобрать работу исследуемого компаратора (рис. 6).
4.1.1. Изобразить передаточную характеристику исследуемого компаратора так, как это было изображено для другой схемы компаратора на рис. 3, с учетом уровней сигнала на выходе микросхемы (п. 3.1.).
4.1.2. Изобразить эпюры напряжений на входе и выходе исследуемого компаратора так, как это было изображено на рис. 4, для входного напряжения треугольной формы.
4.1.3. По эпюрам сигналов п. 4.1.2 и по параметрам входного сигнала треугольной формы F=1 / T и Um и значению напряжений Uоп , заданных преподавателем отдельным для каждой бригады, рассчитать параметры выходного сигнала t1 и t2 .
4.1.4. Пользуясь электрическими параметрами микросхемы К554СА2 (п. 3.1.), определить амплитуду импульсов на выходе компаратора Um вых , путем задания ее минимально- и максимально возможных значений

Um вых = (Um вых мин + Um вых макс ) В.

4.2. Проверить экспериментально работу компаратора в заданном режиме. Для этого
4.2.1. Убедиться в том, что
— выход гнезда ГС1 на блоке К32 проводником соединен с гнездом XS1 на плате;
— кнопка “ ВСВ / ВНК “ в поле надписи “КВУ” и аналогичные в поле надписи “коммутатор” — отжаты;
— кнопка “ВСВ / ВНК” над гнездом “ ГС1” — нажата;
— кнопки “ВСВ / ВНК” в поле надписей “ГН1” и “ГН2” соответственно нажата и отжата.
4.2.2. Контролируя сигнал на выходе генератора (п. 3.3) установить его параметры, заданные ранее преподавателем.
Примечание Форма треугольного сигнала с генератора на экране мультиметра может наблюдаться искаженной (“срезан нижний зуб”). Это объясняется шунтированием выхода генератора вспомогательными цепями узла компаратора. Поэтому на время установки заданной амплитуды треугольного сигнала необходимо отключить входную цепь компаратора отжатием кнопки “ВСВ / ВНК” над гнездом “ГС1”.
4.2.3. Установить заданное опорное напряжение (п. 3.2) на генераторе ГН2 (регулируется двумя ручками в поле надписи “ГН2”.
4.2.4. Наблюдая сигнал на выходе компаратора, измерить его временные характеристики и амплитуду сигнала. Данные предварительного расчета и эксперимента занести в таблицу 1.

таблица 1.

t1 , (мc)
t2 , (мc)
Um вых , (В)

Данные расчета

Данные измерений

4.2.5. Зарисовать в масштабе эпюры напряжений на входе и выходе компаратора в едином масштабе времени, аналогично эпюрам на рис. 4.
4.2.6. Изменяя в небольших пределах параметры входного сигнала и опорное напряжение, пронаблюдать изменение параметров выходного сигнала. Произвести качественную оценку изменений с краткой записью результата,

5. Содержание отчета.

1. Название и цель лабораторной работы.
2. Схема исследуемого узла.
3. Формулы для расчета, расчеты, график и эпюры сигналов по п.4.1.
4. Таблица и эпюры сигналов по п. 4.2.
5. Выводы по работе.

6. Контрольные вопросы.

1. Что называется аналоговым компаратором ?
2. Что является основой для построения схем аналоговых компараторов ?
3. В чем отличие между одновходовым и двухвходовым компаратором ?
4. Чем определяются уровни выходного напряжения компаратора ?
5. Из каких основных узлов состоит схема — компаратор ?
6. Чем определяется порог срабатывания одновходового компаратора ?
7. Качественно оцените параметры выходного сигнала исследуемого в работе компарато ра при подаче на его вход прямоугольного разнополярного сигнала.

7. Список рекомендуемой литературы.

Исследование генератора аналоговых сигналов

1. Цель работы.

Целью настоящей работы является изучение одного из вариантов исполнения электрических схем генераторов сигналов специальной формы.

2. Основные теоретические положения.

2.1. Принцип действия генераторов электрических сигналов основан на использовании явления положительной обратной связи, охватывающей усилительные каскады (рис. 1).

рис. 1.

Причем, для возникновения генерации необходимо, чтобы коэффициент усиления каскада К — превышал некоторое критическое значение , что при использовании современной элементной базы не является проблемой.
Форма сигнала, вырабатываемого генератором, зависит от вида цепи положительной обратной связи. Если в качестве элемента цепи обратной связи использовать полосовой фильтр высокой добротности, то генератор будет вырабатывать сигнал синусоидальной формы определенной частоты. Такие устройства носят название генераторов гармонических сигналов.
К другому классу генераторов относятся т.н. генераторы сигналов специальной формы, вырабатывающие сигналы прямоугольной, треугольной, пилообразной и т.д. формы.
Схемные реализации упомянутых генераторов весьма многочисленны. Остановимся на одной из них.
2.2. На рис. 2 представлена схема генератора сигнала прямоугольной формы. Такие генераторы также называют мульивибраторами.

рис. 2.

Представленный генератор представляет собой операционный усилитель ОУ — ДА, охваченный положительной обратной связью через цепь R2 — R3. С другой стороны, эту схему можно охарактеризовать исходя из того, что ОУ — ДА с резисторами R2 — R3 представляют регенеративный компаратор, так называемый триггер Шмидта, охваченный ООС по цепи R1 — C.
Эпюры напряжений, поясняющие работу генератора, представлена на рис. 3.

рис. 3.

Рассмотрим работу генератора.
2.2.1. При включении питания в силу действия положительной обратной связи в схеме происходит лавинообразный процесс, в результате которого напряжение на выходе ОУ устанавливается на уровне напряжения насыщения положительной или отрицательной полярности. Пусть, например, в момент времени t=0 установилось напряжение +Uнас .
2.2.2. С этого момента времени начинается заряд конденсатора С по цепи (+Uп1) — (выход ДА) — (R1) — (С) — (“корпус” — ).
Напряжение на конденсаторе Uc растет по экспоненте, стремясь к величине +Uнас (участок t0 — t1 на рис. 3).
2.2.3. На этом отрезке времени на входе “Р” ОУ действует положительное напряжение U0 , определяемое соотношением

U0 = Uнас R3 / (R2 + R3) , (1)

Как только возрастающее напряжение на конденсаторе Uc достигнет этого значения, произойдет лавинообразный процесс, приводящий к “опрокидыванию” мультивибратора и установлению на его выходе напряжения -Uнас — момент времени t1 .
2.2.4. С этого момента происходит перезаряд конденсатора С по цепи (“корпус” — ) — (С) — (R1) — (выход ДА) — (-Uп2). Напряжение, меняя свой знак, изменяется по экспоненциальному закону, стремясь к напряжению -Uнас (участок t1 — t2).
2.2.5. На этом отрезке времени на входе “Р” ОУ действует уже отрицательное напряжение U0 , определяемое соотношением (1). Как только напряжение на конденсаторе достигнет этого значения, произойдет очередное “опрокидывание” мультивибратора и на его выходе устанавливается напряжение +Uнас (момент t2).
2.2.6. С этого момента времени происходит перезаряд конденсатора С по цепи, писанной в п. 2.2.2. Описанные в п.п. 2.2.2. — 2.2.4. процессы повторяются, т.е. в генераторе устанавливается периодический процесс, формирующий на его выходе разнополярное напряжение прямоугольной формы с амплитудой

Um = Uнас , (2)

2.2.7. Поскольку процесс перезаряда конденсатора одной и другой полярности происходит по цепям, содержащим идентичные элементы, интервалы времени

(3)

и определяются постоянной времени

(4)

Исходя из вышеприведенных соображений, легко получить соотношение для определения временных параметров выходного сигнала

(5)
(6)
2.2.8. Отметим также то, что регулировку частоты выходного сигнала можно производить изменением значений элементов, входящих в цепь заряда-разряда конденсатора С, т.е. изменением сопротивления резистора R1 и (или) изменением емкости конденсатора С.
2.2.9. Как видно из эпюр на рис.3, напряжение на конденсаторе Uc имеет форму, близкую к форме треугольного сигнала, с той лишь разницей, что фронты этого сигнала не линейны, а экспоненциальны.

3. Описание объекта и средств исследования.

Электрическая схема исследуемого генератора представлена на рис. 4.

3.1. На микросхеме К1402Д8А собран генератор прямоугольных импульсов, частота выходного сигнала которого регулируется переменным резистором R4 = 3.3 кОм.
Остальные параметры элементов схемы
C1 = 1 мкФ ; R6 = 1 кОм ; R7 = 100 кОм ; R8 = 3.9 кОм.
Напряжение треугольной формы снимается с конденсатора С1 и через регулятор уровня на переменном резисторе R1 подается на каскад усиления, собранный на микросхеме К140УД8А.
Данные резисторов каскада
R2 = R3 = 680 Ом ; R4 = 10 кОм.
Усиленный сигнал треугольной формы подается для наблюдения на контрольную точку, обозначенную символом “Вх2”.
3.3. Получение сигнала синусоидальной формы в данном генераторе осуществляется путем двухстороннего ограничения сигнала треугольной формы. Это ограничение выполняется в блоке двухстороннего ограничения, собранном на полупроводниковых диодах, рассмотрение схемы которого не входит в задачу данной лабораторной работы.
Получаемая с помощью этой операции “синусоида”, как можно в этом убедиться, экспериментально весьма далека от идеальной и могла бы быть использована лишь в аппаратуре низкого класса.
3.4. В этой схеме сигнал треугольной формы постоянно подключен к контрольной точке “Вх2”, “синусоида” и прямоугольный сигнал подключаются к контрольной точке “Вх1” через кнопку SA1 (“ВсВ / ВнК”) , расположенную на блоке К32 в поле надписи “коммуникатор” над гнездами “Вход 1”.

4. Порядок выполнения работы.
4.1. Расчетная часть.
4.1.1. Пользуясь значениями параметров схемы генератора из п. 3.1. и формулами (3) — (6) рассчитать период следования и частоту выходного сигнала генератора

; .

4.1.2. Исходя из условия, что напряжение насыщения на выходе операционного усилителя на (2 — 3) В меньше напряжения питания, определить ожидаемую амплитуду Um прямоугольных импульсов на выходе генератора (формула 2).
4.1.3. Исходя из эпюр сигналов на генераторе (рис. 3) и параметров элементов схемы и п. 3.2., рассчитать амплитуду импульсов треугольной формы на выходе генератора (“Вх2”) (при этом движок потенциометра Р1 должен находиться в крайнем верхнем положении).
4.1.4. Результаты расчетов по п.4.1. свести в таблицу 1.
4.2. Экспериментальная часть.
4.2.1. Убедиться в том, что кнопка “ВсВ / ВнК” под подписью “КВУ” и аналогичная правая кнопка в поле надписи “Коммутатор” — отжаты. Установить потенциометр R4.
4.2.2. Наблюдая сигнал прямоугольной формы на выходе генератора, определить его параметры и полученные данные занести в таблицу 1. Повторить измерение периода следования Т для другого положения потенциометра R4, установленного лаборантом или преподавателем.
4.2.3. Наблюдая сигнал треугольной формы на выходе генератора, определить его параметры и данные записать в таблицу 1.
4.2.4. Зарисовать эпюры сигналов п.п. 4.2.2. и 4.2.3. в едином масштабе времени, с учетом изменения фазы каскадом на ДА2.
4.2.5. Проверить и зарисовать эпюру сигнала синусоидальной формы на выходе генератора и определить его амплитуду.

Таблица 1.

Форма сигнала
Т=ТМИН+ТМАКС /мс/
F=Fмин+Fмакс (кгц)
Um (В)

5. Содержание отчета.

1. Название и цель работы.
2. Схема исследуемого генератора.
3. Формулы для расчетов и расчеты по п.4.1.
4. Таблица и эпюры напряжений.
5. Выводы по работе.

6. Контрольные вопросы.

1. Что такое положительная обратная связь ?
2. На какие два крупных класса подразделяются генераторы электрических сигналов ?
3. Что называется мультивибратором ?
4. Чем определяется частота выходного сигнала исследуемого генератора ?
5. Чем определяется амплитуда выходных импульсов генератора ?
6. Какая регулировка частоты сигнала предусмотрена в схеме исследуемого генератора ?
7. Какую роль выполняет каскад на микросхеме ДА2 (рис. 4) ?
8. Каково назначение резисторов R7 и R8 на схеме (рис. 4) ?
9. Что регулируется переменным резистором R1 на схеме генератора (рис. 4) ?

7. Список рекомендуемой литературы.

BestReferat

BestReferat

Основы электроники