Генератора прямоугольных импульсов и rc-генератора синусоидальных колебаний

2.1 Описание схем выполненных в лабораторном макете

Детектор из ОУ

В целом ряде случаев, в том числе для измерительных приборов, определяющих эффективные значения малых сигналов переменного напряжения, необходимые 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 00С, 0У удается снизить приведенный ко входу порог открывания (детектирования) примерно в К_{И О.С.} раз.

Схема детектора малых сигналов с диодами в цепи 00С 0У представлена на рис.2.1 (схема 1). Для положительных полуволн сигналов, подаваемых на вход схемы (инвертирующий вход операционного усилителя), диод оказывается запертым отрицательным выходным напряжением 0У, и напряжение на выходе 1 становится равным нулю. Диод в это время открыт и цепь 00С 0У состоит из , включенного в прямом направлении, и выходного сопротивления 0У (). Так как сопротивление открытого диода мало по сравнению с , то все выходное напряжение 0У оказывается приложенным к выходу 2 схемы.

При смене полярности входного напряжения на отрицательную, а выходного соответственно на положительную запирается, открывается и включает цепь 00С, состоящую в этом случае из и , и выходное напряжение 0У оказывается приложенным к выходу 2.

Таким образом, при любой полярности входного сигнала схема ведет себя как инвертирующий усилитель, коэффициент передачи которого при идентичности диодов и и при равенстве и определяется выражением

, где .

Схема детектора малых сигналов лабораторного макета смонтирована на 0У, работающего в режиме с . Таким образом, порог детектирования, приведенный ко входу, составляет примерно 0, 0007 В, что позволяет детектировать сигналы (положительной или отрицательной полярности) напряжением порядка 1 мВ.

Рис.2.1

2.1.2 Генератор колебаний прямоугольной формы

(мультивибратор) на 0У

0У 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 0У показана на рис. 2, а. Схема содержит цепь 00С, образованную посредством и С1, и цепь ПОС – В момент подачи напряжения питания конденсатор С разряжен и . В это время на появляется небольшое, например положительное, напряжение , которое оказывается приложенным ко входу 2. Причиной появления служит небольшое начальное выходное напряжение разбаланса 0У, которое имеется даже в том случае, если . При появлении напряжения в цепи ПОС (при ) оно начнет переводить 0У в режим насыщения, когда 0У станет примерно равным + (момент времени на диаграмме рис.2.1, б).

Насыщение 0У приводит к заряду конденсатора С1, который заряжается выходным напряжением 0У через до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет значения . Тогда станет равным нулю и выходное напряжение 0У (напряжение на входе 2) , а останется положительным. Так как приложено к инвертирующему входу 0У, то выходное напряжение станет отрицательным и благодаря действию ПОС достигнет другого предельного значения, равного , что также соответствует насыщенному состоянию 0У ( на рис. 2.2, б).

Рис. 2.2

Далее конденсатор С1 начинает перезаряжаться и, когда отрицательное напряжение на нем станет равным и произойдет возврат схемы в исходное состояние, когда .

Период колебаний генератора зависит от соотношения величин элементов, составляющих цепи ПОС и ООС. Анализ схемы показывает, что

и при составит

.

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).

Рис.2.3

Ступенчатая регулировка частоты выходного сигнала производится посредством переключения . Возможность получения несимметричных колебаний достигается включением в цепь 00С 0У клапанных диодов и . Так, при положительном выходном напряжении 0У ток заряда хронирующей емкости (С1, С2 или С3) протекает через диод , верхнюю часть потенциометра и резистор , а при отрицательном 0У – через , нижнюю часть и . Таким образом, изменение положения движка позволяет менять постоянную времени цепи 00С в зависимости от полярности 0У и, следовательно, скважность импульсов генератора.

Следует отметить, что частота колебаний мультивибратора на 0У ограничена скоростью нарастания его выходного напряжения.

2.1.3 – генератор гармонических колебаний

– генератор, выполненный в лабораторном макете собран на 0У, охваченном цепью комбинированной частотно-независимой положительной и избирательной отрицательной ОС (рис.2.4.б).

Рис.2.4.б

В качестве избирательной 00С применен двойной Т-образный мост, принципиальная схема которого и амплитудно-частотная характеристика представлены на рис.2.4.а.

Рис. 2.4.а

Двойной Т-образный мост относится к избирательным – цепям минимального типа. Частота квазирезонансного моста при любом числовом значении n) определяется как

^.

а коэффициент передачи на квазирезонансной частоте как

.

Очевидно, что при , а фазовый сдвиг не имеет смысла (в тех случаях, когда и ).

Использование двойного Т-образного моста в цепи 00С 0У приводит к тому, что амплитудно-частотная характеристика усилителя имеет максимум на частоте квазирезонанса моста . Это объясняется тем, что на частоте при нулевом значении цепь 00С оказывается разомкнутой и коэффициент передачи схемы соответствует коэффициенту передачи 0У без 0С, т.е. (при n=0, 5). На частотах, больших или меньших , и за счет действия 00С уменьшается в соответствии с ростом .

Действие частотно-независимой цепи ПОС и , приводит к самовозбуждению схемы. Во всех случаях глубина ПОС должна быть такой, чтобы условие самовозбуждения схемы выполнялось только в узком интервале частот вблизи максимума , т.е. в районе . При тщательном подборе глубины ПОС форма колебаний – генератора оказывается близкой к гармонической, а частота их соответствует .

Для обеспечения работы схемы и стабильности частоты необходимо

– согласование сопротивлений в точках подключения двойного Т-образного моста к 0У, т.е. 0У 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 – генератора, выполненной в лабораторном макете, регулировка глубины ПОС, состоящей из , , , осуществляется посредством переключателя . в одном из крайних положений цепь ПОС обрывается, колебания в схеме срываются и она приобретает свойства избирательного фильтра.

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 канал осциллографа С1-83, 2 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 Е_к = 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.

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.

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 таблицу 1.

Таблица 1

Л – левое

крайние

П – правое

С – среднее положения R2

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 U_ВЫХ = 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.

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.

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 (таблица 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 0У, общие принципы 00С в усилителях и ее влияние на параметры (АХ, АЧХ и коэффициент передачи) 0У.