close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

DmitrievNedelin

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки российской федерации
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
АНАЛОГОВЫЕ СХЕМЫ НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ
ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ
Методические указания
к выполнению лабораторных работ
Санкт-Петербург
2013
Составители: Ю. И. Дмитриев, П. Н. Неделин
Рецензент канд. техн. наук В. Г. Никитин
В методических указаниях в разд. 1 излагаются основные сведения о характеристиках и параметрах интегральных операционных
усилителей (ОУ), приводится их обозначение в схемотехнике и две базовые схемы включения операционных усилителей с отрицательной
обратной связью.
В разд. 2, 3, 4 приводятся описания типовых схем электронных
схем на ОУ, а именно: линейного детектора малых сигналов, генератора прямоугольных импульсов, синусоидальных генераторов с колебательным контуром, различных RC-автогенераторов: на основе двойного Т-образного моста, моста Вина, фазосдвигающей RC-цепи, кварцевого генератора активных RC фильтров, и приводится порядок
выполнения соответствующих лабораторных работ.
В разд. 5 рассматривается схемное решение, описание работы преобразователя «напряжение–частота» и приводится порядок выполнения лабораторной работы.
Методические указания предназначены для студентов специальностей I факультета.
Подготовлены кафедрой приборов и систем стабилизации, ориентации и навигации летательных аппаратов.
Редактор В. П. Зуева
Компьютерная верстка Н. Н. Караваевой
Сдано в набор 04.03.13. Подписано к печати 02.04.13. Формат 60×84 1/16.
Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2,56. Тираж 100 экз. Заказ № 137.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения (ГУАП), 2013
1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ
ИНТЕГРАЛЬНОГО ОУ
Операционный усилитель (ОУ) обязан своим названием тому, что
первоначально он использовался в аналоговой вычислительной технике для совершения операций (сложения, умножения, интегрирования и т. д.) электрических сигналов.
В настоящее время термин ОУ относится к усилителю постоянного напряжения с большим коэффициентом передачи (К), имеющему
дифференциальный вход и несимметричный выход, обладающему
высоким входным (Rвх) и низким выходным (Rвых) сопротивлениями и другими характеристиками, которые делают его пригодным
для решения многих технических задач.
Современные ОУ выпускаются в интегральном исполнении и являются одним из основных базовых элементов электроники.
Принятое в схемотехнике обозначение интегрального ОУ приведено на рис. 1.1. Здесь: 1 – неинвертирующий; 2 – инвертирующий
3
2
Uвх2
+
Uвхд
–
FC
Uвх1
1
NC
4
5
Uвых
+Uпит
–Uпит
6
8
DA
Рис. 1.1
3
входы; напряжение Uвх2 (дифференциальное) представляет собой
разность
Uвхд = Uвх1 - Uвх2,
соответственно коэффициент передачи ОУ
K = Uвых/Uвх2,
его дифференциальный коэффициент усиления.
Значения К для распространенных типов ОУ лежат в пределах
5000 ≤ К ≤ 100000 или
74 дб ≤ К ≤ 100 дб.
На рис. 1.2 показана амплитудная характеристика ОУ (кривая 1), которая показывает, что при Uвхд < Uднас (дифференциальное
напряжение насыщения) обеспечивается линейная передача вход-
+Uвых
+Uпит
3
1
2
–Uвхд
+Uвхд
–Uпит
–Uвых
Рис. 1.2
K dB
100
(0,707)
1
2
40
f1
1
4
2
3 4
3
Рис. 1.3
5
6
lg f
ного сигнала, а при Uвхд > Uднас выходное напряжение не зависит от
входного и равно ± Uпит (при соответствующем знаке Uвхд), причем
величина Uднас (при K = 105 и стандартном напряжении питания
±Uпит = ±15 В) составляет величину 150 мкВ.
На рис. 1.3 показана амплитудно-частотная характеристика
(АЧХ) ОУ (кривая 1), т.е. зависимость К от частоты f входного сигнала. Важной характеристикой ОУ является его полоса пропускания (ПП), которая определяется как частотный диапазон, в котором амплитуда Uвых уменьшается не более чем до 0,707 от своего
максимального значения при Uвхд = const. Нижняя граница ПП
у всех ОУ, очевидно, начинается от нуля. Верхняя граница ПП большинства типов интегральных ОУ лежит в пределах 103 Гц. Частота f1 (единичного усиления), когда К = 0 dB, (т. е. К = 1) составляет
величину порядка 106 Гц, но в зависимости от конкретного типа ОУ
может быть как больше, так и меньше этого значения. Расширение
полосы пропускания иногда достигается подключением к выводам
6…8 (рис. 1.1) элементов внешних цепей коррекции.
Наряду с АЧХ важной характеристикой ОУ является скорость
нарастания выходного сигнала (V), определяемая как отношение
амплитуды Uвых (обычно максимально равной Uпит) к времени (tн)
в течении которого она меняется от нуля до максимума при подаче
на вход идеального скачка напряжения, т.е.
V = Uвых / tн = B/мкс.
Значения V лежат в широких пределах от 10 до 102 и более.
Входное сопротивление Rвх (рис. 1.4) определяет входной ток, а соотношение между Rвх и внутренним сопротивлением источника
2
G
RG
Uвх
Rвых
G
1
Uвых
Rвх
Ku Uвх
Rн
Рис. 1.4
5
сигнала RG значение напряжения Uвх подводимого к усилителю.
Очевидно, что наилучшее соотношение между ЭДС источника сигнала и Uвх достигается при Rвх >> RG Значения Rвх реальных ОУ
достигают значений 108 Ом и более.
При подаче на вход ОУ дифференциального сигнала он ведет себя как генератор напряжения (по отношению к нагрузке Rн), т. е.
может быть представлен в виде источника сигнала, генерирующего
в режиме холостого хода напряжение K Uвхд и обладающего внутренним сопротивлением Rвых.
Очевидно, что максимальное значение Uвых достигается при
Rн << Rвых. Типовые значения Rвых ОУ лежат в пределах 50…400 Ом,
однако ток нагрузки не превышает 10 мА.
В абсолютном большинстве схем с применением операционных
интегральных усилителей используются ОУ с отрицательной обратной связью по напряжению (ООС). ООС позволяет разработчику
схем на ОУ легко выбирать и регулировать усиление по напряжению. Если ОУ используется с ООС, то его коэффициент передачи записывается как
KOC = ±aK / (1+cK),
где α – коэффициент передачи входной цепи; χ – коэффициент передачи цепи ООС.
При достаточно глубокой ООС, когда χK >> 1 (что легко достигается при больших значениях К):
a
Ê =± ,
c
т. е. определяется значениями коэффициентов передачи входной
цепи и цепи ООС, образованных, как правило, пассивными элементами (R и C).
Две основных схемы включения ОУ с ООС представлены на
рис.1.5 и 1.6.
На рис. 1.5 представлена схема инвертирующего усилителя (ИУ).
Анализ схемы в предложении, что Rвых ОУ близко к нулю, а Rвх
и К являются достаточно большими величинами, показывает, что
в этом случае
R2
a = R2/(R1 + R2), а c = R1/(R1 + R2) и KÎÑ = .
R1
Характерной особенностью этой схемы является практически
подтверждаемое предположение, что потенциал точки А (вход 2 ОУ)
равен нулю при любых допустимых значениях Uвх. Тогда входной
6
R2
IR2
R1
U вх
2
Uвых
A
I вх
1
R3
DA
Рис. 1.5
2
Uвых
1
R1
U вх
R3
DA
R2
Рис. 1.6
ток схемы Iвх = Uвх/R1, т.е. Rвх = R1, которое обычно на практике не
превышает 103…104 Ом. Это означает, что данную схему нецелесообразно применять при работе с высокоомными источниками сигналов, когда требуется выполнение соотношения Rвх >> RG. Однако
схема ИУ является основной при построении широкого круга схем
различных устройств на ОУ.
7
На рис.1.6 представлена схема неинвертирующего усилителя
(НУ). При тех же предположениях, т.е.
Rвх → ∞, К → ∞ и Rвых → 0, χ = R2/(R1+R2),
R1 + R2
R1
=1+
.
R2
R2
В данной схеме входной ток определяется значением R3 (при условии, что R3 < Rвх ОУ). Если R3 не подключено, то входное сопротивление схемы оказывается большим Rвх ОУ, что допускает ее применение к работе с высокоомными источниками сигналов.
Таким образом, применение частотно-независимой ООС:
– допускает задание коэффициента передачи посредством подключения внешних резисторов R1 и R2, при этом амплитудные характеристики усилителей отображаются кривыми 2 и 3 на рис. 1.2;
– определяет входной ток усилителя;
– изменяет вид АЧХ усилителя (кривая 2 рис. 1.3), делая ее равномерной в широком диапазоне частот.
тогда
8
K=
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕТЕКТОРА МАЛЫХ СИГНАЛОВ,
ГЕНЕРАТОРА ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ
И RC-ГЕНЕРАТОРА СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ
2.1 Описание схем выполненных в лабораторном макете
2.1.1. Детектор на ОУ
В целом ряде случаев, в том числе для измерительных приборов,
определяющих эффективные значения малых сигналов переменного напряжения, необходимы вентили с малым порогом открывания.
Полупроводниковые диоды оказываются непригодными для
этих целей. так как напряжение порога открывания p-n перехода
составляет примерно 0,3 В для германиевых и 0,7 В для кремниевых переходов. Если диод используется в цепи ООС, ОУ удается снизить приведенный ко входу порог открывания (детектирования)
примерно в КО.С. раз.
Схема детектора малых сигналов с диодами в цепи ООС ОУ представлена на рис. 2.1. Для положительных полуволн сигналов, подаваемых на вход схемы (инвертирующий вход операционного
усилителя), диод VD2 оказывается запертым отрицательным выходным напряжением ОУ, и напряжение на выходе 1 становится
равным нулю. Диод VD1 в это время открыт и цепь ООС ОУ состоит из VD1, включенного в прямом направлении, R2 и выходного
R1
Вых1
R2
Вых2
VD1
Вход
+
-
VD2
+Uпит
–Uпит
R3
DA
Рис. 2.1
9
сопротивления ОУ (Rвых). Так как сопротивление открытого диода
мало по сравнению с R2, то все выходное напряжение ОУ оказывается приложенным к выходу 2 схемы.
При смене полярности входного напряжения на отрицательную,
а выходного соответственно на положительную VD1 запирается,
VD2 открывается и включает цепь ООС, состоящую в этом случае
из R1 и Rвых, и выходное напряжение ОУ оказывается приложенным к выходу 2.
Таким образом, при любой полярности входного сигнала схема
ведет себя как инвертирующий усилитель, коэффициент передачи
которого при идентичности диодов VD1 и VD2 и при равенстве R1
и R2 определяется выражением
K ÎÑ = -
R
, где R1 = R2 = R.
Râûõ
Схема детектора малых сигналов лабораторного макета использует ОУ, работающий в режиме с KOC = 103. Таким образом, порог детектирования, приведенный ко входу, составляет примерно 0,0007В,
что позволяет детектировать сигналы (положительной или отрицательной полярности) напряжением порядка 1 мВ.
2.1.2 Генератор колебаний прямоугольной формы
(мультивибратор) на ОУ
ОУ можно включить таким образом, что они будут работать как
генераторы сигналов различной, в том числе прямоугольной формы. Простейшая схема генератора симметричных колебаний прямоугольной формы на ОУ показана на рис. 2.2, а. Схема содержит
цепь ООС, образованную посредством R3 и С1, и цепь ПОС – R1,
R2…. В момент подачи напряжения питания конденсатор С разряжен и Uвх1 = 0. В это время на R2 появляется небольшое, например
положительное, напряжение U, которое оказывается приложенным ко входу 2. Причиной появления U служит небольшое начальное выходное напряжение разбаланса ОУ, которое имеется даже
в том случае, если Uвх1 = Uвх2 = 0. При появлении напряжения U
в цепи ПОС (при Uвх1=0) оно начнет переводить ОУ в режим насыщения, когда Uвых ОУ станет примерно равным + Uпит (момент времени
t = 0 на диаграмме рис.2.2, б).
Насыщение ОУ приводит к заряду конденсатора С1, который заряжается выходным напряжением ОУ через R3 до тех пор, пока напряжение на нем UC1 не достигнет значения UC1 = U. Тогда UД = UС1
10
станет равным нулю и выходное напряжение ОУ (напряжение на
входе 2) Uвх2 = U = 0, а Uвх1 = UС1 останется положительным. Поскольку UC1 приложено к инвертирующему входу ОУ, то выходное
напряжение станет отрицательным и благодаря действию ПОС достигнет другого предельного значения, равного –Uпит, что также соответствует насыщенному состоянию ОУ (t1 на рис. 2.2, б).
Далее конденсатор С1 начинает перезаряжаться и, когда отрицательное напряжение на нем станет равным – Uпит · R2/R1+R2, и произойдет возврат схемы в исходное состояние, когда Uвых = + Uпит (t2).
Период колебаний генератора зависит от соотношения величин
элементов, составляющих цепи ПОС и ООС. Анализ схемы показывает, что
T ≈ 2R3C1R2/(R1 + R2) и при R1 = R2 = 10 составит
T @ 0,2R ∙ C1.
R3
а)
1
–Uвхд
+
-
C1
2
U
+Uпит
–Uпит
R1
R2
DA
б)
+Uпит
+U
UС1
0
t1
t2
t
–U
T
U вых
+Uпит
Рис. 2.2
11
VD1
R2 VD2
R1
S2
1
2
2
+
–
1
Uвх
C1 C2
вых
3
+Uпит
R1
DA
C3
R3
R3
=
R4
DA +
R2
Рис. 2.3
В лабораторном макете выполнен многодиапазонный генератор, работа которого аналогична рассмотренной, однако этот вариант схемного решения позволяет получить как симметричные,
так и несимметричные импульсные различных частот следования
(рис. 2.3).
Ступенчатая регулировка частоты выходного сигнала производится посредством переключения S2. Возможность получения несимметричных колебаний достигается включением в цепь ООС ОУ
клапанных диодов VD1 и VD2. Так, при положительном выходном напряжении ОУ ток заряда хронирующей емкости (С1, С2 или
С3) протекает через диод VD1, верхнюю часть потенциометра R2
и резистор R1, а при отрицательном Uвых ОУ – через VD2, нижнюю
часть R2 и R1. Таким образом, изменение положения движка R2
позволяет менять постоянную времени цепи ООС в зависимости от
полярности Uвых ОУ и, следовательно, скважность импульсов генератора.
Следует отметить, что частота колебаний мультивибратора на
ОУ ограничена скоростью нарастания его выходного напряжения.
12
2.1.3. RC-генератор гармонических колебаний
RC-генератор в лабораторном макете собран на ОУ, охваченным
цепью комбинированной частотно-независимой положительной и избирательной отрицательной ОС (рис. 2.4).
C1
C2
R1
R2
R4
C3
S4
вых
+
–
R3
S3
1
R5
2
R6
±Uпит
3
Рис. 2.4
R
n = 0,5
R
C
χ
C
C/n
nR
ω0
ω
Рис. 2.5
13
В качестве избирательной ООС применен двойной Т-образный
мост, принципиальная схема которого и амплитудно-частотная характеристика χ(ω) представлены на рис.2.5.
Двойной Т-образный мост относится к избирательным RC – цепям минимального типа. Частота квазирезонанса моста w0 определяется как
1
,
ω0 =
RC
а коэффициент передачи на квазирезонансной частоте χ(ω0) как
c(ω0 ) =
(1 - 2n)n
1 + n + n2
.
Очевидно, что при n = 0,5 χ(ω0) = 0 (в тех случаях, когда n ≠ 0,5
χ(ω0) > 0 и ϕ(ω0) → π).
При включении двойного Т-образного моста в цепь ООС ОУ амплитудно-частотная характеристика усилителя KOC(ω) имеет максимум на частоте квазирезонанса моста ω0. Это объясняется тем,
что на частоте ω0 при нулевом значении χ(ω0) цепь ООС оказывается разомкнутой и коэффициент передачи схемы соответствует
коэффициенту передачи ОУ без ОС, т.е. KOC (ω0) = K (при n = 0,5).
На частотах, больших или меньших ω0, χ(ω) > 0 и за счет действия
ООС KOC(ω) уменьшается в соответствии с ростом χ(ω).
Действие частотно-независимой цепи ПОС R5 и R6, R3 приводит к самовозбуждению схемы. Во всех случаях глубина ПОС должна быть такой, чтобы условие самовозбуждения схемы выполнялось только в узком интервале частот вблизи максимума KOC(ω), т. е. в районе ω0. При
тщательном подборе глубины ПОС форма колебаний RC – генератора
оказывается близкой к гармонической, а частота их соответствует ω0.
Для обеспечения работы схемы и стабильности частоты необходимо
– согласование сопротивлений в точках подключения двойного
Т-образного моста к ОУ, т. е. ОУ должен обладать очень малым выходным и высоким входным сопротивлениями;
– точная настройка двойного Т-образного моста, которая зависит
от точности выбора значений его элементов, т.е. в схеме моста допускается применение конденсаторов и резисторов с допусками соответственно 1 и 0,1%.
В схеме RC – генератора, выполненной в лабораторном макете,
регулировка глубины ПОС, состоящей из R5, R6, R3, осуществляется посредством переключателя S3 в одном из крайних положений
S3 цепь ПОС обрывается, колебания в схеме срываются и она приобретает свойства избирательного RC фильтра.
14
2.2. Состав лабораторной установки
Экспериментальная лабораторная установка содержит:
– лабораторный макет;
– источник питания +15 В (стенд);
– генератор MOTECH FG-506;
– двухканальный осциллограф С1-83;
– цифровой осциллограф TDS 1002.
2.3. Порядок выполнения работы
1. Подключить экспериментальный макет к источнику питания 0-15 В., смонтированному на стойке лабораторного стола. Ручку регулировки выходного напряжения источника питания вывести
в крайнее левое положение (вращая ее против часовой стрелки). Обязательно соблюдение полярности приложенного напряжения. Подключить к входу схемы № 1 генератор сигналов типа MOTECH FG-506,
используя выход Func out (50 Ω). Подключить к одному из выходов
схемы № 1 1-ый канал осциллографа С1-83, 2-ой канал подключить
к гнезду Изм.Вх.. Переключатель «№ схемы» поставить в положение «1». Собранную схему исследований показать руководителю
или лаборанту.
2. Включить приборную стойку лабораторного стола, включить
источник питания и установить выходное напряжение равным
Ек = 12 В. Включить генератор MOTECH FG-506, установить уровень выходного сигнала – 40 дБ (2 раза нажать Range/Attn, затем
стрелками ◄ и ► выбрать значение Attn: 40 dB). Включить осциллограф С1-83, наблюдая и регулируя линию развертки.
3. Снять зависимость выходного напряжения детектора от входного напряжения на частоте f примерно 1000 Гц, изменяя его от нуля до максимального значения (поворачивая крайнюю правую ручку
Amplitude), соответствующего появлению нелинейных искажений
(ограничение сигнала). Входное напряжение (от генератора) измеряем осциллографом (канал № 2), выходное напряжение (канал № 1)
отсчитывать по масштабной сетке осциллографа. Таблица должна содержать 5–6 точек. Для одной из таких точек нарисовать осциллограмму выходного напряжения в удобном (не мелком) масштабе.
4. Проделать измерения по п. 3 для другого выхода схемы № 1,
при тех же входных значениях амплитуды.
5. Отключить генератор MOTECH FG-506 от схемы 1. Подключить к выходу схемы № 2 осциллограф TDS 1002. Переключатель
«№ схемы» поставить в пол. 2.
15
6. Для положения переключателя «к схеме № 2 С1» пользуясь кнопкой AVTOSET и ручками регулировки чувствительности
(VOLTS/DIV) и скорости развертки (SEC/DIV) установить на экране
осциллограмму выходных импульсов генератора.
Установив ручку потенциометра R2 в некотором среднем положении, когда колебания симметричны, определить по экрану осциллографа их частоту f и период T. Повторить измерения значений
f и T в обоих крайних положениях R2.
7. Повторить измерения по п. 6 для положения переключателя
«К схеме № 2» в положениях С2 и С3.
Результаты измерений свести в табл. 1.
Таблица 1
Пол. перекл. С
Пол. R2
С1
Л
С
С2
П
Л
С
С3
П
Л
С
П
F
T
Регулируемое положение движка R2: Л – левое крайнее; П – правое крайнее;
С – среднее.
8. Переключатель «№ схемы» поставить в положение «3». Подключить генератор MOTECH FG-506 к входу двойного Т-образного
моста схемы № 3. Подключить осциллограф TDS 1002 к выходу
двойного Т – образного моста. Отключить двойной Т-образный мост
от усилителя тумблером, находящимся на лицевой модели макета
(положение «вправо»).
9. Снять амплитудно-частотную характеристику двойного
Т-образного моста, подав от генератора сигнал UВЫХ = 0,3–0,5 В.
Для этого сначала надо зафиксировать частоту квазирезонанса (по
минимуму выходного сигнала), а затем снять 5–6 точек по обе стороны от частоты квазирезонанса, пока выходное напряжение не
станет приблизительно постоянным.
10. Отключить генератор MOTECH FG-506, предварительно выведя ручку регулировки выходного напряжения в крайнее левое положение, и затем выключить его. Тумблер перевести в положение
«влево».
11. Для положения переключателя «К схеме № 3» «R5» получить
на экране осциллограмму выходного напряжения и измерить частоту автоколебаний.
16
12. Убедится, что при отсутствии положительной обратной связи
(положения переключателя «К схеме № 3» «R5») автоколебания отсутствуют.
13. Отключить от схемы № 3 осциллограф и затем выключить
его. Вывести ручку регулировки выходного напряжения источника
питания в крайнее левое положение и выключить источник питания. Выключить приборную стойку лабораторного стола.
2.4. Содержание отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать полученные
экспериментальные результаты, а именно:
– графические зависимости выходного напряжения детектора
малых сигналов от входного напряжения;
– значения частоты и периода колебаний генератора прямоугольных импульсов в зависимости от величин С1, С2, С3 и R2 (табл. 1);
– амплитудно-частотную характеристику двойного Т-образного
моста;
– результаты измерений частоты выходного сигнала RC генератора;
– объяснение полученных результатов.
При подготовке к защите отчета по лабораторной работе необходимо внимательно изучить принцип действия схем, приведенных в
лабораторном макете, характеристики и параметры интегральных
ОУ, общие принципы ООС в усилителях и ее влияние на параметры
(АХ, АЧХ и коэффициент передачи) ОУ.
2.5. Контрольные вопросы
1. Чем обусловлен малый порог детектирования линейного детектора на ОУ?
2. Чем объясняется появление нелинейных искажений выходного сигнала детектора?
3. Как происходит формирование выходного сигнала в схеме 2
макета?
4. Как влияет соотношение R1, R2 на частоту колебаний генератора (схема 2)?
5. На какой частоте возникают колебания в схеме генератора на
основе двойного Т-образного фильтра (моста) и почему?
17
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ
ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
3.1. Общие сведения
Генераторы колебаний, в том числе гармонических (или синусоидальных) состоят из усилителя с коэффициентом передачи К > 1, обладающего фазовым сдвигом ϕK и цепи положительной обратной связи (ПOС), коэффициент передачи которой β (обычно β ≤ 1), а фазовый
сдвиг ϕβ. Условия самовозбуждения генераторов выполняются, когда
– петлевой сдвиг фаз ϕ = ϕK + ϕβ составляет величину ϕ = 2nπ, где
n = 0,1…, называемое условием баланса фаз, что собственно и является признаком ПOС;
– величина K · β ≥ 1 – условие баланса амплитуд, когда потери
в цепи ПОС обычно состоящей из пассивных элементов (R, C, L или их
электромеханических аналогов), восполняются усилителем (К > 1).
При этом наилучшая форма колебаний достигается в том случае, если условия самовозбуждения выполняются в узком интервале частот (в идеале на одной частоте). Последнее означает, что при
построении схем генераторов гармонических колебаний на ОУ, обладающих широкой полосой пропускания цепь ПОС должна быть
частотно-зависимой и обладать избирательными свойствами, т. е.
АЧХ β(ω) должна иметь максимум или минимум на частоте ω0, на
которой и возникают колебания.
Точное выполнение условия баланса амплитуд K · β = 1 (в установившемся режиме) также обеспечивает синусоидальную форму колебаний, в противном случае (при K · β > 1) наблюдаются искажения
формы колебаний, а при K · β < 1 – их срыв. При построении схем генераторов на ОУ, коэффициент передачи которых достаточно велик
(Kи ≥ 105) для задания величины К = 1/β (на частоте генерации ω0),
т.е. выполнения условия баланса амплитуд, применяют отрицательную ОС, т. е. схема генератора включает в себя ОУ, избирательную
цепь ПOС, определяющую частоту колебаний и частотно независимую цепь ООС, служащую для задания требуемого значения К.
3.2. Описание схем в лабораторном макете
3.2.1. LC-генератор
Схема LC-генератора (рис. 3.1) содержит в своем составе избирательную цепь ПOС состоящую из колебательного (параллельного) LC контура (L1, С1) и резистора R1 и цепь частотно-независи18
R4
R3
R'
R"
R1
выход
1
2
L
C
RC
RL
DA1
Рис. 3.1
мой ООС R3, R4, определяющей коэффициент передачи инвертирующего усилителя на ОУ DA1.
Частота колебаний генератора определяется резонансной часто1
(без учета потерь).
той контура ω0 =
L1C1
Важной характеристикой контура является его активное сопротивление на частоте резонанса:
Rðåç = ρ / R =
ω0 L
1
=
,
R
ω0 RC
где R – cопротивление потерь, учитывающее рассеяние энергии на
омическом сопротивлении индуктивности RL и утечки емкости RC
(на рис. 3.1 показаны пунктиром). То обстоятельство, что при резонансе Rрез является активной величиной сдвиг фаз между точками
1 и 2 схемы равняется нулю, что соответствует выполнению условия баланса фаз. Условие баланса амплитуд, т.е. условие самовозRðåç
R¢
буждения схемы определяется соотношением
³
R 9 + Rðåç R ¢ + R ¢¢
(при условии, что коэффициент передачи ОУ достаточно велик). КоR¢
) задается посредством реэффициент передачи цепи ООС (
R ¢ + R ¢¢
гулировки потенциометра R4, что обеспечивает возникновение колебаний, их срыв и поиск их наилучшей формы.
19
3.2.2. RС-генератор с фазосдвигающей целью
Схема генератора представлена на рис. 3.2.
Здесь емкости С5, С6, С7 и резисторы R13, R14, R15 образуют
трехзвенную фазосдвигающую RС цепь. Зависимости сдвига фазы ϕ(w) (кривая 1) и коэффициента передачи β(ω) (кривая 2) представлены на рис. 3.3.
Так, на частоте ω = 0 ϕ = 3π/2, а β = 0. С ростом частоты величина
ϕ снижается (приближаясь к нулю), β растет, приближаясь к единице. На частоте ω0, когда ϕ = π, а β = 1/29, т. е. обеспечивается сдвиг
фаз от точки 3 к точке 2 схемы на величину π. ОУ (DA2) включен по
схеме инвертирующего усилителя, т.е. сдвиг фаз от точки 2 к точке 1 схемы составляет величину равную π, что обеспечивает суммарный петлевой сдвиг фаз (от точки 3 к точке 1 схемы равный
нулю, т. е. выполнение баланса фаз на частоте ω0).
R20
3
C5
C6
C7 2
1
R18
R13
R14
R16
DA2
Рис. 3.2
3π/2
1
π
2(β(ω))
1/29
1(ϕ(ω))
ω
ω0
Рис. 3.3
20
Выход
1
.
RC
Частотно-независимая цепь ООС состоящая из резисторов R18
и R20 задает коэффициент передачи инвертирующего усилителя
K = – R20/R18. В этом hслучае условие баланса амплитуд выполняется при K ≥ 29. Изменяя значение R20 можно, как и в предыдущей
схеме, добиться возникновения и срыва колебаний и изменения их
формы. Поскольку фазосдвигающая RС цепь не является избирательной форма колебаний данного генератора отличается от синусоидальной.
При равенстве С5 = С6 = С7 = С и R13 = R14 = R16 = R ω0 =
3.2.3. RC – генератор с расстроенным мостом Вина
Схема моста Вина (МВ) показана на рис. 3.4, а, а его амплитудночастотная и фазовая характеристики на рис. 3.4, б и в.
Левая ветвь (рис. 3.4, а) представляет собой селективный RC
1
значение
фильтр у которого на частоте квазирезонанса ω0 =
RC
1
напряжения U1(ω0) максимально и равно U1 (ω0 ) = Uâõ (ω0 ).
3
Правая ветвь – делитель напряжения у которой на частоте
ω
0
R2
U2 (ω0 ) =
Uâõ (ω0 ).
R1 + R2
R1
Значение R2 =
определяется величиной расстройки ε. Так
2+ ε
R1
1
, т.е. U2 (ω0 ) = Uâõ (ω0 ), МВ называют настроенпри ε = 0 R2 =
2
3
ным; при этом дифференциальное напряжение U(ω0) = U1(ω0) –
– U2(ω0) = 0, т.е. схема выполняет функцию режекторного RC фильU (ω0 )
= 0.
тра, когда K(ω0 ) =
Uâõ (ω0 )
При ε ≠ 0 МВ называют расстроенным, в этом случае
1
Uâõ (ω0 ), , а U(ω0) ≠ 0,
3
1
1
ε
а именно U (ω0 ) = ( )Uâõ (ω0 ) @ Uâõ (ω0 ) и АЧХ моста, имеет
3 3+ ε
9
максимум на частоте ω0 (рис.3.4, б), а фазовая характеристика ϕ(ω)
на частоте ω0 (т. е. при ω/ω0 = 1 на рис. 3.4, в) спадает до нулевого
значения. Для построения схемы генератора на основе МВ его необходимо использовать в качестве цепи ПОС усилителя, а для выполнения условия баланса амплитуд необходимо задать значение
U2 (ω0 ) <
21
расстройки ε = 9/K, где К – коэффициент передачи усилителя (на частоте ω0).
При построении практических схем генераторов обычно требуется выполнение следующих условий:
– обеспечение запуска, т. е. возникновения колебаний, что достигается заданием величины ε > 9/K (при этом R2 имеет некоторое
минимальное значение);
– обеспечение стационарного режима работы схемы, т. е. ε = 9/K,
что достигается увеличением значения R2 при возникновении колебаний;
a)
С
Входной сигнал Uвх(ω)
R
R1
U1(ω0)
U(ω0) = U1(ω0) – U2(ω0)
U2(ω0)
С
R
R2 =
R1
2 +ε
U
б)
π
ε
Uвх
9
в)
ω
ω0
ϕ, град
180
0
ω/ω0
1
–180
Рис. 3.4
22
– обеспечение стабильности амплитуды колебаний, например,
при изменении (подключении) нагрузки к выходу схемы.
Упрощенная схема генератора, выполненного в лабораторном
макете приведена на рис. 3.5. Здесь частотно-зависимая ветвь МВ
образована резисторами R4 = R5 и конденсаторами С2 = С3, делитель содержит в своем составе резисторы R1, R2 и полевой транзистор с управляющим p-n переходом VT1, выполняющий функции
регулятора, определяющего величину ε. Цепь, состоящая из выпрямительного диода VD1, резисторов R6, R3 и сглаживающего конденсатора С1 задает величину потенциала затвора U3 VT1.
Выходы моста (напряжения U1(ω0) и U2(ω0)), подключенные
к входам ОУ, образуют напряжение U(ω0) = U1(ω0) – U2(ω0), синфазное с выходным, т. е. напряжение ПОС. Величина U2(ω0) определяется значением расстройки, т. е. состоянием VT1. Так, возникновение
колебаний обеспечивается близким к нулевому значением потенциала затвора U3 VT1, когда VT1 открыт и его сопротивление «сток –
исток» RСИ (сопротивление канала) минимально, что обеспечивает
минимальное значение R2/2 + ε (R2 = Rси + R’2), т. е. максимальную
R3
R6
VD1
C1
+
R1
U3
C
U2(ω0)
Uвых
IH
Rси
R'2 U(ω )
0
R2/2 + ε
+
–
U1(ω0)
±Uпит
RH
DA3
R4
C2
R3
C3
Рис. 3.5
23
расстройку. При увеличении амплитуды колебаний формируется
U3 ≠ 0, VT1 подзапирается, Rси возрастает и значение расстройки
уменьшается до расчетного значения, что обеспечивает стационарный режим работы схемы. Аналогичным образом осуществляется стабилизация амплитуды колебаний (т. е. Uвых) при подключении к выходу схемы нагрузки Rн, а именно при появлении тока Iн,
Uвых имеет тенденцию к уменьшению, соответственно уменьшается
потенциал затвора U3 VT1, что вызывает, в свою очередь уменьшение Rси VT1, т. е. увеличение расстройки ε, в связи с чем уменьшается U2(ω0), и глубина ПОС увеличивается за счет увеличения U(ω0),
что автоматически увеличивает амплитуду колебаний генератора.
3.2.4. Кварцевый генератор
При использовании резонаторов в схемах LC-генераторов достигается очень высокая частотная стабильность. Электрически кварцевый резонатор (или просто кварц), в котором энергия электрического поля преобразуется в механические колебания решетки, ведет себя как колебательный контур с очень высокой добротностью.
Резонансная частота кварца находится в пределах от десятков килогерц до сотен мегагерц. Практически довольно просто достижимы значения частотной стабильности ∆f/f0 = 10–5 – 10–4, однако при
использовании специальных мер (прежде всего термостатирования)
стабильность может доходить до 10–10. Эквивалентная электрическая схема кварца представлена на рис. 3.6, где C, L, R – электрические аналоги механических характеристик кристалла кварца.
C0 – емкость кварцедержателя, измеренная между его электродами.
Обычно C0 >> С.
Типовые параметры кварца, имеющего резонансную частоту 4 мГц
следующие: L = 102 мГн; С = 0,015 пФ; R = 100 Ом; С0 = 5 пФ, при этом
добротность резонатора Q = 25 ∙ 103. Различают две частоты резонанса кварцевого резонатора: частоту последовательного резонанса
f0 = 1 2π LC ,
С
L
С0
Рис. 3.6
24
R
определяемую параметрами собственно кристалла, и частоту параллельного резонанса
f1 =
1
2π LC ×
1 + C / C0
.
Для резонансной частоты f0 = 4 МГц при частотной стабильности
кварца ∆f/f0 = 105 различие частот f0 и f1 оценивается величиной
f0 (1 - 1 + C / C0 ) » 6 êÃö, , т. е. значения f0 и f1 хорошо отличимы
друг от друга.
Схема генератора на основе кварца, выполненная в лабораторном
макете представлена на рис. 3.7. Здесь резисторы R15 и R17 образуют цепь ООС, т.е. определяют модуль коэффициента передачи усиR ¢¢
, величина которого зависит от положелителя на ОУ DA4: K =
R¢
ния движка потенциометра R17.
Кварцевый резонатор ZQ и резистор R19 образуют цепь ПОС, так
как на частоте резонанса сопротивление Rрез кварца минимально,
чисто активно и равно R, т. е. сдвиг фаз между точками 1 и 2 схемы
равен нулю, а коэффициент передачи цепи ПОС
b=
R
.
R19 + R
R17
R15
R'
R"
1
+
–
2
DA4
Выход
±Uпит
RL
ZQW
R19
Рис. 3.7
25
Тогда условие самовозбуждения схемы (баланс амплитуд), т. е.
Kb ≥ 1:
R ¢¢
R
×
> 1.
R ¢ R19 + R
Частота f0 резонатора, примененного в лабораторном макете, составляет 100 кГц.
Как и в предыдущих схемах (1 и 2) регулировка R17 служит
для определения моментов возникновения и срыва колебаний и настройка их формы.
Следует отметить, что подстройка частоты кварцевых генераторов осуществляется посредством переменной емкости Ср, включаемой последовательно с резонатором, при этом частота колебаний f0¢
(при условии, что (C0 + Cp) >> C) равна
æ
ö÷
C
f0¢ = f0 çç1 +
÷.
ççè
2(C0 + C p ) ÷÷ø
3.3. Состав лабораторной установки
В состав установки входят:
– источник питания стенда «+15 В»;
– лабораторный макет, содержащий 4 схемы генераторов;
– осциллограф TDS 1002.
3.4. Порядок выполнения лабораторной работы
3.4.1. Исследование LC-генератора
1. Подключить источник питания «+15 В» к соответствующим гнездам макета, строго соблюдая полярность подводимого напряжения.
2. Установить значение напряжения питания, равное 10В, и переключатель «схема» установить в положение 1.
3. Подключить осциллограф к выходу LC контура схемы 1 и
изменяя R’ = 50 к0м, возбудить колебания в контуре. Измерить
напряжение на выходе операционного усилителя и на контуре.
Определить осциллографически частоту колебания fC контура.
Определить все параметры колебательного контура, зная емкость
контура СК = 4700 пФ и используя следующие формулы:
UK
Uâûõ 0Ó
26
=
Rðåç
Rðåç + R 9
,
где UK, Uвых ОУ – соответственно напряжения на контуре и на выходе ОУ, Rрез – резонансное сопротивление контура; R9 = 7,5 кОм.
Rðåç =
ρ2
; ρ = ω0 L = 1 / ω0 C; ω0 = 2πF0 = 1 / LC ;
RÏ
где ρ – характеристическое сопротивление контура; Rп – сопротивление потерь в контуре; Q = L / C / Rï , где Q – добротность контура.
Построить зависимость амплитуды колебаний в контуре в функции глубины ООС β = R’ / (R’ + R’’) и объяснить эту зависимость.
3.4.2. Исследование RC-автогенератора
с фазосдвигающей цепью
Включить схему 2 переключателем «СХЕМА». Увеличивая значение R20 = 100 кОм от минимального значения, возбудить колебания и отметить их характер. Уменьшая R20 (т.е. усиление ОУ), сорвать колебания и зафиксировать значение R20, соответствующее
границе срыва. Еще раз возбудить генератор и, уменьшая R20, получить колебания наилучшей формы. Рассчитать затухание, вносимое трехзвенным Т-образным RC-фильтром по измерениям R20,
соответствующего срыву колебаний и при R18 = 1,2 кОм.
Теоретическое значение затухания по модулю равно 1/29.
3.4.3. Исследование RC-автогенератора
с расстроенным мостом Вина
Включить схему 3 переключателем «СХЕМА», внешнюю нагрузку R12 = 430 0м отключить переключателем S2. При положении 1
переключателя S1 измерить осциллографически амплитуду и частоту автоколебаний, сравнив измеренное значение частоты с расчетным значением
F0 = 1/2πRC(R = 7,5 кОм; С = 0,01 мкФ). При положении 2 переключателя S1 (автоматическая стабилизация амплитуды) измерить
значение амплитуды. Для положений 1 и 2 переключателя S1 подключить нагрузку R12 = 430 Ом и наблюдать в обоих случаях реакцию схемы. Оценить характер динамического процесса при подключении и отключении Rн = 430 Ом в обоих случаях.
Для положения 2 переключателя S1 осциллографически определить вид переходной характеристики генератора, осциллографируя
потенциал затвора транзистора VT1 при включении и отключении
нагрузки R12.
27
3.4.3. Исследование кварцевого генератора
Включить схему 4 переключателем «СХЕМА». Увеличивая R
(т. е. уменьшая ООС), возбудить в схеме автоколебания. Уменьшая R, добиться наилучшей формы автоколебаний и измерить их
частоту осциллографически.
При выполнении п.п. 3.4.2…3.4.4 необходимо последовательно
подключать осциллограф TDS 1002 к выходам исследуемых схем.
Кнопкой AUT0 SET и ручками регулировки чувствительности
(VOLT/DIV) и скорости развертки (SEC/DIV) устанавливать читаемые осциллограммы выходных напряжений генераторов и значения величин частоты и периода наблюдаемых сигналов.
3.5. Содержание отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
– результаты измерений: значения частот колебаний генераторов, значение R регулируемых потенциометров, соответствующие
возникновению/срыву колебаний и их наилучшей форме и др.;
– результаты расчетов и сравнения полученных значений с заданными теоретически;
– краткие выводы (объяснения полученных экспериментальных
данных).
При подготовке к защите отчета по лабораторной работе необходимо:
– изучить схемы и принцип работы генераторов, выполненных
в лабораторном макете, и общие принципы построения синусоидальных автогенераторов;
– уметь объяснить полученные данные.
3.6. Контрольные вопросы
1. Объясните условия самовозбуждения генераторов и условия
получения колебаний синусоидальной формы.
2. Какие амплитудно-частотные характеристики RC цепей ПОС
обеспечивают наилучшую форму колебаний?
3. Объясните условия возникновения колебаний (баланс фаз)
в схеме 2.
4. Объясните, для чего необходимо вводить расстройку моста Вина и смысл ее регулировки при работе генератора (схема 3).
5. Объясните работу кварцевого генератора (схема 4).
28
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
«ТОК – НАПРЯЖЕНИЕ» И АКТИВНЫХ RC-ФИЛЬТРОВ
4.1. Описание схем лабораторного макета
4.1.1. Схема 1 (рис.4.1, а) представляет собой преобразователь
I → U и источник напряжения, управляемый током. В предположении, что потенциал точки А (как при подаче Uвх, так и его отсутствии) равен нулю, а входное сопротивление ОУ RвхОУ >> R1: передаточная функция схемы Uвых = - I ∙ R1, т. е. выходное напряжение
Uвых схемы оказывается пропорциональным ее входному току.
4.2.2. Схемы 2 и 3 (рис. 4.1, б и в) представляют собой активные
RC фильтры. Схема 3 представляет собой активный фильтр нижних
частот (ФНЧ) первого порядка с инвертирующим усилителем. Передаточная характеристика ФНЧ имеет вид
K(P) =
R 9 / R7
, где P = jω/ωcp,
1 + ω cp R 9 × RC3 × P
1
, на которой значеR 9 × C3
ние коэффициента передачи составляет 0,707 от его максимального
значения. Максимальное значение модуля коэффициента передачи
R9
; на частотах ω < ωср АЧХ схемы спадает до значе(на ω >> ωср) K =
R7
ния K = 1, причем крутизна спада (среза) АЧХ S составляет 20 dB на
декаду (декада – десятикратное изменение частоты входного сигнала).
Схема 2 представляет собой простейший вариант полосового активного RC фильтра, выполненного как сочетание фильтров нижних и верхних частот (ФНЧ и ФВЧ). Как и в схеме 3 макета цепь R6,
С2 представляет собой пассивный ФНЧ первого порядка, где
1
1
.
ω0 =
, цепь R3, C1 – ФВЧ первого порядка, где ω cp1 =
R 3 × C1
R 6 × C2
Задавая величины R6, C2 и R3, C1, т. е. значения wcp1 и wcp2 фильтров, можно обеспечить пропускание фильтра в некой полосе частот
(рис. 4.2). Здесь кривая 1 АЧХ ФНЧ (wcp1), а кривая 2 АЧХ ФВЧ (wcp2).
Как видно из рис. 4.2, при задании ωcp1 > wcp2 обеспечивается
пропускание фильтра в полосе ωcp2 … wcp1. Максимальное значение
R6
(знак «минус» означает
коэффициента передачи схемы Kmax = R3
инверсию входного сигнала).
а wcp – частота среза АЧХ фильтра: ω0 =
29
R1
а)
1
+Uвх
2
4
–Uвых
5
6
I
A
3
I
+
mA
Uпит
–
DA1
R2
Схема 1
R6
б)
C2
7
R3
+
Uвх
8
Uвых
10
11
C1
Uпит
–
R4
9
DA2
R5
Схема 2
R9
в)
12
C3
Uвх
13
+
–
R8
DA3
Схема 3
Рис. 4.1
30
Uвых
14
15
R7
Uпит
К
Кmax
1
2
Кmax · 0,707
1
ω ср1 ωср2
ω
Рис. 4.2
4.2. Состав лабораторной установки
– лабораторный макет;
– источник питания стенда 50 В;
– осциллограф С1-83 (или TDS 1002);
– многофункциональный генератор MOTECH FG-506;
– источник питания Б5-45;
– миллиамперметр М 253;
– вольтметр В7–26.
4.3. Порядок выполнения лабораторной работы
1. Подключить лабораторный макет (гнезда 16, 17) к источнику питания стенда 50 В, соблюдая полярность подводимого напряжения.
2. Подключить входы вольтметра В7–26 к выходам 5, 6 схемы 1
и установить переключатели выбор режима в положение «U» и чувствительности (диапазона измерений) в положение «10 В».
3. Подключить М253 к гнездам 2, 3 макета, соблюдая полярность подключения, и установить диапазон измерений в положение
«0,75 mA», множитель – в положение «х2».
4. Подключить источник питания Б5–45 к гнездам 1, 4 макета
(плюс к Гн. 1) и установить значение его выходного напряжения в 0.
31
5. Включить источник питания стенда и подать на макет напряжение 20 В и включить вольтметр В7–26 и источник питания Б5–
45. Переключатель П2 макета установить в положение 1.
6. подать на вход схемы 1 постоянное напряжение 0,1 В (по шкале источника питания Б5–45) и измерить значения входного тока
и выходного напряжения по шкалам М253 и вольтметра В7–26. Занести измеренные значения в протокол измерений.
7. Отключить М253, вольтметр В7–26 и источник питания Б5–45
от схемы.
8. Подключить генератор MOTECH к входам схемы 2 макета
(гнезда 7, 9), а осциллограф С1–93 к ее выходу (гнезда 10, 11), переключатель П2 установить в положение 2.
9. Пользуясь кнопками RANGE, FVNC и   на лицевой панели
генератора, выбрать диапазон выходной частоты синусоидального
(SINE) сигнала, равный 2К–20К, и установить частоту выходного
сигнала примерно равной 5 кГц.
10. Регулируя амплитуду выходного сигнала генератора и чувствительность осциллографа, установить на его экране изображение сигнала возможно более близкое по форме к синусоидальному.
11. Снять АЧХ схемы, регулируя частоту выходного сигнала
в пределах установленного диапазона (2К–20К) и измеряя его амплитуду осциллографически. Определить максимальное значение Uвых.
12. Не изменяя значения амплитуды входного сигнала, повторить измерения по п.11 в частотных диапазонах 200–2К (до значения 500 Гц) и 20К–200К (до значения 100 кГц). Измеренные значения амплитуд и частот свести в таблицу.
13. Установить П2 в положение 3 и переключить выход генератора к выходу (гнезда 12, 13) схемы 3, и осциллограф к ее выходу
(гнезда 14, 15), установить частотный диапазон генератора равный
(2К–20К), и снять зависимость амплитуды выходного сигнала от
частоты в различных диапазонах ее изменения 2К–20К, 20К–200К,
200–2К способом, указанным в п.п. 9, 10, 11, 12.
4.4. Содержание отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать результаты измерений и графики АЧХ фильтров, выполненных в схемах 2 и 3,
(при построении АЧХ целесообразно откладывать значения частот
в логарифмическом масштабе), значения частот среза фильтров
и полосы пропускания фильтра в схеме 2.
32
При подготовке к защите отчета необходимо изучить параметры
схем пассивных и активных ФНЧ и ФВЧ первого порядка и схемные решения полосовых и селективных RC фильтров.
4.5. Контрольные вопросы
1. Объясните, почему схема 1 макета выполняет функцию преобразования «ток – напряжение».
2. Объясните, в чем состоят преимущества активных фильтров
на основе RC цепей перед аналогичными пассивными RC фильтрами.
3. Что такое крутизна среза S АЧХ фильтра нижних частот ФНЧ
и каково ее значение?
4. Как увеличить крутизну среза ФНЧ; что такое фильтры высших порядков?
5. Объясните, почему схема 3 макета выполняет функцию селективного фильтра.
33
5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
«НАПРЯЖЕНИЕ – ЧАСТОТА»
5.1. Общие сведения
Метод преобразования «напряжение – частота» (U/f) находит
широкое применение в схемотехнике измерения амплитуд аналоговых сигналов, в том числе являющихся отображением физических параметров (температуры, давления и т. д.) с представлением
результата измерений в цифровом формате, например посредством
цифровых десятичных индикаторов и является, по существу, вариантом метода аналого-цифрового преобразования. Основным параметром преобразователя U/f является зависимость частоты f или
периода следования Т выходного сигнала от входного Uвх напряжения, допустимый диапазон изменений Uвх, его полярность, диапазон изменений выходной частоты, а также параметры выходного
сигнала: его амплитуда, длительность импульса и т. д.
Обычно при построении измерительных схем производят счет периодов следования выходного сигнала преобразователя U/f в некотором временном интервале Тизм с последующим выводом результата
счета (в двоично-десятичном коде) на цифровую индикацию. Поскольку Тизм = nT, n – число периодов выходного сигнала преобразователя
U/f, «считаемого» посредством счетчиков, задание Тизм позволяет осуществлять индикацию входного напряжения в различных величинах, единицах напряжения, давления, высоты и т. д. Естественно, что
при измерениях физического параметра необходимо преобразовать его
значение Р в напряжение U(P), подаваемое на вход преобразователя
U/f, что достигается посредством схемы, содержащей датчик измеряемой величины и усилительно-преобразовательную схему.
На рис. 5.1 представлена функциональная схема измерителя физического параметра Р, где D – параметрический датчик, сопротивление которого R зависит от значения Р, т. е. R(Р); значком ►
обозначена усилительно-преобразовательная схема, формирующая выходное напряжение U(P); U/f – преобразователь «напряжение – частота», частота f(Р) и период Т(P) следования выходных
импульсов которого определяются значением U(P); Ф – формирователь временного интервала Тизм (например, аналоговый таймер);
СТ10 – счетная схема, состоящая из двочно-десятичных счетчиков
(С – счетный вход, СЕ – вход разрешения счета), формирующая код
В(Р); DC и HG – схема декодирования и цифровой индикации результата измерений параметра Р.
34
R(Р)
P
D
U(P)
f(P)
Uuu
U/f
uuU T(P)
/f
Ф
C
СТ 10
B(Р)
CE
DC
HG
Tизм
Рис. 5.1
Представим, что Р – атмосферное давление, которое должно быть
представлено в мм ртутного столба. В качестве датчика D использован кремниевый датчик давления, сопротивление которого зависит
от Р. Предположим, что при Р = 760 мм посредством усилительнопреобразовательной схемы сформировано U(P) = 3,8 B. Алгоритм
преобразования U/f таков, что при данном значении U(P)
f(P) =3,8 ∙103 Гц, а T (P) =
1
×10-3 с (см. п.п. 4.2).
3,8
Тогда для получения на индикаторах (3 десятичных разряда)
значения 760 необходимо задать
Tèçì = p × T = 760 × T = 760 ×
1
×10-3 = 200 ×10-3 c = 200 ìñ,
3,8
т. е. осуществить счет периодов выходного сигнала преобразователя
U → f в интервале, равном 200 мс.
Если необходимо обеспечить индикацию Р в других единицах,
например в миллибарах, то с учетом того, что Р = 700 мм рт. ст. =
= 1013 м бар следует :
– увеличить Тизм, сделав его равным Tизм = 1013T @ 266 мс;
– увеличить разрядность схемы счета и индикации до 4 десятичных разрядов.
Аналогичным способом, зная зависимость давления Р от высоты
полета Н (в конкретной местности), можно обеспечить индикацию
значения Н в выбранных единицах измерения.
5.2. Описание лабораторного макета
Упрощенная схема лабораторного макета представлена на рис. 5.2.
Здесь на ОУ DA1 выполнен инвертирующий интегратор, постоянная времени интегрирования t = R2 ∙ C1.
35
Транзистор VT1, включенный параллельно емкости С1 выполняет функцию ключа. На ОУ DA2 выполнен компаратор, предназначенный для сравнения выходного напряжения интегратора Uи
и опорного напряжения Uоп, снимаемого с резистора R4, включенного в цепь параметрического стабилизатора на стабилитроне VD1
и резисторе R8. Транзистор VT2 используется как инвертор в цепи
положительной обратной связи DA2.
Временная диаграмма работы схемы показана на рис. 5.3. В исходном состоянии (t = 0) С1 разряжен и Uи = 0, т. е. потенциал
неинвертирующего входа DA2 равен нулю, а на инвертирующий
вход подано положительное Uоп, в связи с чем выходной сигнал
компаратора Uк @ -Uпит, и транзисторы VT1, VT2 оказываются запертыми.
R8
+Uпит
VT1
VD1
C1
R5
+
R2
+Uu R3
–
R1
VT2
+
+Uвых(Uк)
+
+Uпит
–Uпит
–
–Uвх
R4
R3
+Uоп
DA1
–
DA2
Рис. 5.2
Uu, Uк
+Uпит
Uк
+Uоп
Uu
t1
0
t2
t3
t4
T
Рис. 5.3
36
R6
t
+Uпит
–Uпит
Запертое состояние транзистора VT1 разрешает заряд емкости
С1 током IC1 (t), причем
t
UÈ (t) = UC (t) =
1
IC1 (t).
Cò
0
U
U
Поскольку IC1 (t) = IR1 (t) = , то UÈ (t) = âõ t, т. е. при постоянR
RC
ном значении Uвх положительное выходное напряжение интегратора
изменяется по линейному закону (интервал времени 0…t1 рис. 5.3). При
достижении Uи значения Uоп (момент времени t1) состояние компаратора изменяется, т.е. Uк становится равным + Uпит. Этим уровнем открывается и VT1 и в течение короткого промежутка времени t1…t2 С1 разряжается и схема возвращается в исходное состояние. Далее (в интервалах
времени t2…t3 и t3…t4) процесс повторяется. Таким образом, на выходе
интегратора формируется пилообразное, а на выходе компаратора импульсное напряжение, период следования которых Т определяется:
– постоянной времени интегратора τ = R2 C1;
– величиной Uоп,
и при заданных значениях t и Uоп величиной Uвх, т. е. скоростью
нарастания Uи (t).
Таким образом, схема выполняет преобразование напряжения
в частоту (f = 1/T), т.е. U → f.
Ввиду практической значимости метода U → f выпускается довольно широкая номенклатура интегральных микросхем преобразователей «напряжение – частота». Примером может служить микросхема К 1108 ПП1, схема включения которой показана на рис. 5.4.
Вход
+Uвх
R1
1
C1
10
12
–Uпит (–10...19 В)
U/f
4
+Uпит (+10...19 В)
13
7
11
R2
14
Выход
fвых
5
C2
Рис. 5.4
37
В стандартном включении при R1 = 34 кОм, R2 = 560 Ом,
С1 = 10 нФ и С2 = 36 нФ положительное Uвх = 0…10 В преобразуется
в частоту fвх = 0…10 кГц, т. е. крутизна характеристики преобразования составляет 1 кГц/B при нелинейности не более 10–8. Выходной сигнал представляет собой последовательность калиброванных
по длительности положительных импульсов, амплитуда которых
Um ~ +Uпит.
5.3. Порядок выполнения лабораторной работы
Схема исследования включает в себя:
– лабораторный макет,
– источники питания стенда 0…15 В и 0…50 В,
– милливольтметр В7-26,
– осциллограф TDS 1002.
1. Подключить к клеммам «+ изм –» макета милливольтметр,
установив режим измерения «+U» и его предел в положение 10 В,
пользуясь соответствующими переключателями на его лицевой панели. Подключить осциллограф к выходу А2 макета и установить
режим измерений кнопкой AUTO SET на его лицевой панели.
2. Подключить к клеммам «± 9 В» макета выход источника питания стенда «± 15 В» и задать величину подводимого напряжения,
равную 9 В.
3. Подключить к клеммам «± 15 В» макета выход источника питания «± 50 В» стенда и задать величину подводимого напряжения,
равную 15 В.
ВНИМАНИЕ! Перед выполнением п.п. 2,3 вывести ручки регулировки источников питания стенда в крайнее левое положение, а при их подключении к макету строго соблюдать полярность подводимых напряжений.
4. Установить ручку потенциометра R8 в крайнее правое положение, переключатель S1 в нижнее положение (резистор R1 закорочен), а S2 в положение «комп».
5. Подключить осциллограф к выходу компаратора А2 и, вращая
ручку R2 из крайнего левого положения, определить по экрану осциллографа момент перехода (срабатывание компаратора и одного
устойчивого состояния в другое) и зафиксировать значение UК по
шкале вольтметра.
6. Перевести S2 в положение «ПНЧ» и установить ручкой регулировки R2 значение Uвх = 1 (по вольтметру В7-26).
38
7. Пользуясь ручками регулировки чувствительности (VOLTS/
DIV), положение изображения (POSITION) и скорости развертки
(SEC/DIV) осциллографа установить на его экране осциллограмму сигнала с выхода А2 компаратора (примерно соответствующую
рис. 5.3) и записать значения частоты (f) и периода следования (Т) выходных импульсов. Зарисовать полученную осциллограмму.
8. Подключить осциллограф к выходу А1 (выход интегратора)
макета и далее к выходу А3 макета (выход триггера Шмитта) и зарисовать полученные осциллограммы.
9. Задавая последовательно (посредством регулировки R2) Uвх
в пределах 1…3 В (с шагом 0,5 В), определить по экрану осциллографа значения Т и f выходного сигнала (с выхода А1 или А2
макета).
10. Повторить измерения по п.п. 4, 5, 6, 7, 9 для среднего и крайнего левого положений ручки регулировки R8.
11. Результаты измерений порогов срабатывания компаратора,
значений частоты и периода выходного сигнала свести в табл. 1.
Таблица 1
UВХ
UК1
T
UК2
f
T
UК3
F
T
f
1
.
.
.
.
.
3
5.4. Содержание отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1. Осциллограммы выходных напряжений интегратора, компаратора и триггера Шмитта (выходы А1, А2 и А3 макета).
2. Результаты измерений пороговых значений UК1, UК2 и UК3
и значений частоты f и периода Т колебаний (табл. 1).
3. Оценку линейности преобразования по построенным графическим зависимостям по данным табл. 1.
39
При подготовке к защите отчета по лабораторной работе следует
изучить:
– схему и работу инвертирующего интегратора на ОУ и генератора пилообразного напряжения на его основе (при условии постоянства амплитуды интегрируемого входного сигнала);
– принцип работы аналогового компаратора на ОУ при сравнении входного сигнала изменяющейся амплитуды с сигналом постоянной амплитуды, подводимых к входам компаратора при одинаковой (например, положительной) полярности сравниваемых сигналов.
5.5. Контрольные вопросы
1. Объясните работу интегратора и компаратора и схемы преобразователя в целом (при условии постоянства амплитуды входного
сигнала).
2. Объясните, как зависит частота выходного сигнала от постоянной времени интегрирования, порога срабатывания компаратора
и входного напряжения (рис. 5.3).
3. Объясните работу схемы измерения, показанной на рис. 5.1.
40
6. Требования безопасности
При работе на лабораторных макетах следует руководствоваться
ГОСТ 12.3.019-80 «Испытания и измерения электрические. Общие
требования безопасности». Для исключения возможности возникновения пожара или поражения электрическим током необходимо
выполнять следующие положения:
1. Лабораторные макеты могут эксплуатироваться в помещении, удовлетворяющем требованиям пожарной безопасности по
ГОСТ 12.1.004-76. Освещенность рабочего места должна быть не менее 300 лк.
2. К выполнению лабораторных работ студенты допускаются
только после проведения преподавателем инструктажа по вопросам
техники безопасности с обязательной отметкой в соответствующем
журнале.
3. Перед выполнением работы необходимо осмотреть рабочее место и убедиться, что выключатель «Сеть» источника питания стоит
в положении «Выкл.»
4. В процессе выполнения работы необходимо соблюдать осторожность, поддерживать на рабочем месте чистоту и порядок, в случае появления запаха гари или искрения контактов немедленно отключить источник питания от сети.
5. Необходимо знать размещение ближайшего пожарного инвентаря и общего выключателя сети лаборатории.
6. Запрещается оставлять без наблюдения работающий макет,
включать силовые рубильники, загромождать рабочее место.
41
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Павлов В.И. Схемотехника аналоговых электронных устройств:
учеб. пособие для вузов. – М.: Академия, 2008. – 288 с.
2. Волович Т. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых
электронных устройств. М.: Додэка, 2011. – 252 с.
3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Справочное руководство. – М.: Мир, 1982. – 512 с.
42
Содержание
1. Основные характеристики и параметры интегрального оу. ..................................................................... 3
2. Исследование детектора малых сигналов, генератора
прямоугольных импульсов и rc-генератора синусоидальных колебаний............................................................ 2.1 Описание схем выполненных в лабораторном макете.................................................................. 2.2. Состав лабораторной установки............................ 2.3. Порядок выполнения работы............................... 2.4. Содержание отчета............................................. 2.5. Контрольные вопросы......................................... 9
15
15
17
17
3. Исследование генераторов гармонических колебаний.... 3.1. Общие сведения................................................. 3.2. Описание схем в лабораторном макете................... 3.3. Состав лабораторной установки............................ 3.4. Порядок выполнения лабораторной работы........... 3.5. Содержание отчета............................................. 3.6. Контрольные вопросы......................................... 18
18
18
26
26
28
28
4. Исследование преобразователя «ток – напряжение» и активных rc-фильтров.................................................... 4.1. Описание схем лабораторного макета.................... 4.2. Состав лабораторной установки............................ 4.3. Порядок выполнения лабораторной работы........... 4.4. Содержание отчета............................................. 4.5. Контрольные вопросы......................................... 29
29
31
31
32
33
5. Исследование преобразователя «напряжение – частота».
5.1. Общие сведения................................................. 5.2. Описание лабораторного макета........................... 5.3. Порядок выполнения лабораторной работы........... 5.4. Содержание отчета............................................ 5.5. Контрольные вопросы......................................... 34
34
35
38
39
40
9
6. Требования безопасности........................................... 41
Библиографический список........................................... 42
43
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
5
Размер файла
2 493 Кб
Теги
dmitrievnedelin
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа