Материал: LS-Sb88871

Ground

Рис. 2.3

На рис. 2.3 представлена принципиальная схема генератора с мостом Вина (R1; C1; R2; C2), реализованная на базе неинвертирующего РУ (DA1;

R3; R4); ОСЦ – осциллограф. Для выполнения в этом генераторе условия баланса амплитуд необходимо, чтобы выполнялось соотношение

R4 2R3 (см. рис. 2.4, кривая 1). Это необходимо для самовозбуждения ге-

нератора. Причём, как было отмечено ранее, колебания будут расходящимися, и ограничение амплитуды сигнала произойдёт при достижении макси-

мального выходного напряжения ОУ U2m. В этом случае благодаря нели-

нейности проходной характеристики ОУ будет автоматически устанавли-

16

ваться эффективное значение KUНИ Э 3 (рис. 2.4, кривая 2, рабочая точка А).

Однако такой естественный способ стабилизации амплитуды сигнала из-за резких изломов проходной характеристики ОУ связан с существенными не-

линейными искажениями.

2.3. RC-генераторы с цепью нелинейной обратной связи

Одним из простейших способов стабилизации амплитуды выходного напряжения RC-генератора при минимальных нелинейных искажениях является введение в него цепи нелинейной обратной связи (НОС). Схема такого генератора представлена на рис. 2.5, (DA1, R1, C1, R2, C2, R4, R3 – генератор с мостом Вина; R5, R6, VD1, VD2 – цепь НОС на диодах). Рассмотрим работу этого генератора. При малых уровнях выходного напряжения диоды VD1, VD2 практически полностью обесточены, поскольку их рабочие точки нахо-

дятся в зоне нечувствительности вольтамперной характеристики диода. Со-

противления резисторов R3, R4, R6 выбираются таким образом, чтобы вы-

полнялось неравенство

При выполнении условия (2.10) в генераторе возникают колебания с

увеличивающейся амплитудой (расходящийся процесс). Когда она достигнет значений 0,5…1 В, диоды VD1, VD2 открываются и включается цепь НОС,

которая с ростом амплитуды выходного напряжения генератора уменьшает эффективный коэффициент усиления усилителя до значения KUНИ Э 3, что

обеспечивает выполнение условия баланса амплитуд (2.8).

При выборе сопротивлений резисторов R3, R4, R5, R6 следует руково-

при этом можно показать, что амплитуда U2m и частота ω0 установившихся колебаний для генератора (рис. 2.5) определяются соотношениями:

где Uд – напряжение на открытом диоде. Нужно отметить, что амплитуда

U2m может сильно изменяться в зависимости от разброса сопротивления R3,

идля ее фиксации иногда целесообразно вводить переменный резистор R3.

17

Рис. 2.5

Следует подчеркнуть, что условие баланса амплитуд выполняется толь-

ко для выходного сигнала с амплитудой U2m, поскольку ее дальнейшее уве-

личение приводит к уменьшению эффективного коэффициента усиления усилителя (KUНИ Э < 3). Генератор с цепью НОС (рис. 2.5) имеет значитель-

но меньшие нелинейные искажения выходного напряжения по сравнению с генератором (см. рис. 2.3), поскольку в нем ОУ работает в линейном режиме.

2.4.Экспериментальная часть

1.Проведем исследование работы RC-генератора с мостом Вина с исполь-

зованием осциллографа ОСЦ (рис. 5.3 – R1 = R2 = 10 кОм; R3 = 100 кОм;

R4 = 220 кОм; C1 = C2 = 0,01 мкФ). В меню запуска инструментов NI ELVIS

выберем функцию Oscilloscope (осциллограф). В качестве источника для канала А на лицевой панели осциллографа установим [BNC/Board CH A]; в качестве источника триггерного сигнала выберем СН А. Запустим ОСЦ в непрерывном режиме и понаблюдаем за выходным напряжением генератора. Выясним, чем ограничивается амплитуда выходного напряжения в генераторе и почему по форме это напряжение не является синусоидальным. Определяем частоту f0

колебаний в генераторе и сравниваем ее с расчетным значением (2.6).

Вводим в схему (см. рис. 2.3) изменение (R4 = 110 кОм) и повторяем эксперимент. Объясним, почему в этом случае на выходе генератора колебания отсутствуют.

18

2. Исследуем работу генератора с цепью НОС аналогично предыдущему эксперименту (см. рис.2.5, R1 = R2 = 10 кОм; R3 = 100 кОм; R4 = 220 кОм;

C1 = C2 = 0,01 мкФ; R5 = 2,2 кОм; R6 = 100 Ом). Почему в этом случае в ге-

нераторе практически отсутствуют нелинейные искажения выходного сигнала и его форма близка к синусоидальной. Определяем частоту и амплитуду колебаний в генераторе и сравниваем их с расчетными значениями (2.12) при

Uд 0,8 В.

2.5. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

–на этапе подготовки: цель работы; основные схемы и расчетные соотношения, характеризующие условия существования незатухающих колебаний в электронных цепях и основные характеристики RC-генераторов.

–после выполнения работы: результаты измерения основных параметров RC-генераторов (экспериментальная часть); выводы по работе.

2.6.Контрольные вопросы

1.Чем отличается генератор от усилителя?

2.От какого устройства генератор потребляет энергию и куда отдает?

3.Как формулируется условие баланса амплитуд?

4.Как формулируется условие баланса фаз?

5.При каких условиях колебания в генераторе будут затухающими, расходящимися?

6.Каким образом в генераторе с мостом Вина выполняется условие баланса амплитуд?

7.Почему в генераторе с мостом Вина используется неинвертирующий РУ? Как в этом случае выполняется условие баланса фаз?

8.Чем ограничивается амплитуда выходного напряжения в генераторе

(см. рис. 2.3)?

9.В чем состоит недостаток естественного способа стабилизации амплитуды выходного напряжения в генераторе (см. рис. 2.3)?

10.Как работает генератор с НОС (см. рис. 2.5)?

11.Почему генератор с НОС (см. рис. 2.5) имеет минимальные искаже-

ния выходного напряжения?

19

Лабораторная работа 3

ТРИГГЕРЫ ШМИТТА, АНАЛОГОВЫЕ КОМПАРАТОРЫ И МУЛЬТИВИБРАТОРЫ

Цель работы состоит в ознакомлении с принципами построения триггеров Шмитта, аналоговых компараторов и мультивибраторов, реализуемых на операционных усилителях (ОУ), и в экспериментальном исследовании их основных технических характеристик с использованием системы NI ELVIS.

3.1.Триггеры Шмитта

3.1.1.Общая часть

Схема триггера Шмитта приведена на рис. 3.1 (РИП – регулируемый источник питания, ЦМ – цифровой мультиметр). Он представляет собой опера-

ционный усилитель с цепью положительной обратной связи R1, R2. Триггер Шмитта имеет гистерезисную характеристику передачи (рис. 3.2, кривая 1) и

может находиться в двух устойчивых состояниях, соответствующих макси-

мальному Umax и минимальному Umin напряжениям на выходе ОУ.

Рассмотрим работу триггера Шмитта, полагая, что ОУ близок к идеаль-

ному. Пусть в начальный момент он находится в состоянии с уровнем вы-

ходного напряжения Umax (рис. 3.2, кривая 1, точка A, Uвх < 0). В этом слу-

чае напряжения UR1 и Uд положительны, что и поддерживает триггер в дан-

ном состоянии.

UR1 KобрUmax 0, Uд UR1 Uвх 0, (3.1)

где Kобр R1 /(R1 R2) – коэффициент цепи обратной связи. Если теперь напряжение Uвх , возрастая, превысит напряжение UR1 (3.1), то напряжение

Uд станет отрицательным, при этом триггер Шмитта перейдет в состояние

суровнем выходного напряжения Umin (рис. 3.2, кривая 1, точка В)

Если теперь начать уменьшать напряжение Uвх , то, когда оно станет меньше напряжения UR1 (3.2), напряжение Uд снова станет положительным

и триггер Шмитта вернется в исходное состояние (см. рис. 3.2, характеристика 1, точка А).

20