ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ГЕНЕРАТОРА ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

«Схема» «Программа» «Содержание»

6.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Ознакомиться с принципом формирования периодических сигналов с помощью функционального преобразователя. Освоить методы настройки универсального генератора периодических сигналов.

ОПИСАНИЕ ГЕНЕРАТОРА ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Генератор периодических сигналов (ГПС) собран на сменной плате УС7, принципиальная схема которой приведена на рис.6.1, а функциональная схема ГПС на рис.6.2. ГПС формирует прямоугольное периодическое напряжение U₁, симметричное треугольное напряжение U₃ и синусоидальное напряжение U₄.

На операционном усилителе DA1 собран инвертирующий компаратор с петлеобразной характеристикой, на функциональной схеме ему соответствует нелинейный элемент НЭ1. Времязадающая цепь (ВЗЦ) из резисторов R8, R4 и конденсатора С1 является апериодическим звеном, которое совместно с нелинейным элементом НЭ1 образует неустойчивую замкнутую систему (мультивибратор).

Выход компаратора (гнездо XS1) является одним из выходов ГПС. Напряжение на емкости С1, близкое по форме к треугольному, усиливается усилителем У и поступает на второй выход ГПС (гнездо XS2). Усилитель собран на операционном усилителе DA2, его коэффициент регулируется потенциометром R1.

Напряжение по форме близкое к синусоидальному формируется из треугольного напряжения U₃ функциональным преобразователем ФП. Полученное при этом напряжение является третьим выходным сигналом ГПС и подается на гнездо XS3.

Функциональный преобразователь выполнен на диодах и резисторах, он состоит из двух одинаковых частей, формирующих, соответственно, положительный и отрицательный полупериоды синусоиды.

Рассмотрим формирование положительного полупериода синусоиды. Цепочка последовательно включенных диодов VD6, VD7, VD8 обладает вольт - амперной характеристикой (ВАХ) по виду совпадающей с ВАХ одного диода, но с втрое большим падением напряжения. Совместно с токоограничивающими резисторами R13, R17 эта цепочка позволяет получить для положительного напряжения U₃ зависимость U₄ = f(U₃) близкую к синусоидальной. Однако в районе изменения знака производной напряжения U₃ в напряжении U₄ формируется острая вершина, для устранения которой служит диод VD1 с делителем напряжения на резисторах R14, R16. Для формирования отрицательной полуволны служат диоды VD2, …, VD5 и делитель на резисторах R15, R18.

ПРОГРАММА РАБОТЫ

6.3.1. Осциллографируя напряжение U₁ при двух крайних положениях потенциометра R4, определить частотный диапазон работы ГПС и амплитуду напряжения U₁_max.

6.3.2. Рассчитать теоретический частотный диапазон работы ГПС, если его частота определяется выражением (1).

, где , . (6.1)

6.3.3. Рассчитать амплитуду напряжения U₂ по формуле

. (6.2)

6.3.4. Определить, с помощью осциллографа, действительную амплитуду напряжения U₂.

6.3.5. Осциллографируя напряжение U₄, установить потенциометры R16 и R18 в такие крайние положения, чтобы они не влияли на форму напряжения U₄.

6.3.6. Потенциометром R1 установить такую амплитуду напряжения U₃, чтобы напряжение U₄ по форме приближалось к синусоидальному.

6.3.7. Потенциометрами R16, R18 устранить острые углы в районе максимума и минимума напряжения U₄.

6.3.8. Замерить амплитуду синусоидального напряжения U₄ и треугольного напряжения U₃.

6.3.9. Изменяя потенциометром R4 частоту ГПС, убедиться, что форма и амплитуда напряжения U₄ не зависит от частоты.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

6.4.1. Работа компаратора на микросхеме DA1, его статическая характеристика, чем определяется ширина петли статической характеристики?

6.4.2. Работа мультивибратора на микросхеме DA1? От чего зависит период колебаний?

6.4.3. Методика графо – аналитического расчета напряжения U₄ по известному напряжению U₃?

6.4.4. Доказать справедливость формул (6.1) и (6.2)?

6.4.5. Объяснить работу схем ограничения на диодах VD1 и VD2?

«Схема» «Программа» «Содержание»

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

ФОРМИРОВАНИЕ ЧАСТОТНОЗАВИСИМЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УСИЛИТЕЛЯ

ПРОГРАММА РАБОТЫ

7.1.1. Цель работы: Освоить методику синтеза заданной частотной характеристики операционного усилителя путем выбора вида и параметров входного четырехполюсника и четырехполюсника цепи обратной связи.

7.1.2. Для заданного варианта передаточной функции усилителя (см. табл.7.1) выбрать входной и выходной четырехполюсники, обеспечивающие ее реализацию.

7.1.3. Разработать принципиальную схему усилителя и составить систему уравнений, связывающую номиналы элементов с параметрами заданной передаточной функции. Рассчитать номиналы элементов и округлить их до стандартных значений 5%-ой шкалы номиналов (см. табл.7.2).

7.1.4. Собрать модель усилителя с рассчитанными номиналами элементов. Перекрывая рабочий диапазон частот усилителя влево и вправо не менее чем на декаду снять амплитудную и фазовую частотные характеристики. Рабочим диапазоном считать частоты от до Гц.

7.1.5. По экспериментальным данным рассчитать и построить логарифмическую амплитудно-частотную (ЛАЧХ) и логарифмическую фазо-частотную (ЛФЧХ) характеристики. Под ЛАЧХ понимается зависимость от , где - круговая частота.

7.1.6. На одном графике с экспериментальными ЛАЧХ построить асимптотические теоретические ЛАЧХ. Сравнить характеристики.

7.1.7. Повторить пункты 7.1.2., …, 7.1.6. для остальных заданных передаточных функций.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

«Программа» «Варианты» «Содержание»

Схема усилителя, обладающего частотно-зависимой передачей, изображена на рисунке 7.1. Схема состоит из операционного усилителя ОУ, входного четырехполюсника ВХ и четырехполюсника обратной связи ОС.

Рис.1. Схема усилителя с частотно-зависимой передачей

Считаем, что операционный усилитель обладает бесконечно большими коэффициентами усиления по току и напряжению. Поэтому входной ток и входное напряжение усилителя равны нулю, то есть и . Уравнения для четырехполюсников через Y параметры имеют вид

. Для входного (7.1)

. Для обратной связи (7.2)

Учитывая свойства операционного усилителя, составим уравнение для токов на его входе

. (7.3)

Преобразуем уравнение (7.3) учтя, что и выразив токи через напряжения и проводимости четырехполюсников

. (7.4)

От выражения (7.4) можно перейти к коэффициенту передачи усилителя в комплексном виде или в виде изображения Лапласа

или . (7.5)

В таблице 7.2 приведены значения проводимости для простейших четырехполюсников, которые могут включаться как на входе, так и в цепи обратной связи операционного усилителя. Для вариантов 1, …, 4 таблицы 7.2 четырехполюсники вырождаются в двухполюсники, для которых справедливо соотношение , где Z(р) – сопротивление двухполюсника, а соотношение (7.5) может быть выражено через входное сопротивление и сопротивление обратной связи

. (7.6)

Синтез усилителя с заданными частотными свойствами заключается в выборе четырехполюсников, обеспечивающих необходимый коэффициент передачи (передаточную функцию усилителя) и расчете номиналов сопротивлений и емкостей. Для расчета номиналов элементов составляется система уравнений, которая связывает номиналы элементов с постоянными времени и коэффициентом передаточной функции. Часть номиналов при этом может быть задана произвольно, однако следует учитывать, что эквивалентное сопротивление, подключенное к выходу операционного усилителя, должно быть не менее двух 2кОм, а емкость конденсаторов не более 4.4 мкФ.

ВАРИАНТА ЗАДАНИЙ

Таблица 7.1

Варианты заданий к лабораторной работе

№ вар.	Вид ПФ	К	Т₁, c	Т₂, c	Т₃, c
	W₁(р) W₃(р) W₄(р)	0.1	0.001 0.01 0.003	0.001 0.0002 0.0003
	W₁(р) W₂(р) W₄(р)		0.004 0.5 0.0001	0.004 0.001
	W₂(р) W₃(р) W₄(р)	0.001 1.5	0.1 0.0001 0.004	0.00001 0.0001
	W₃(р) W₅(р)	0.2 0.05	0.02 0.4	0.0002 0.1	0.01
	W₁(р) W₃(р) W₄(р)	0.1	0.001 0.01 0.005	0.0001 0.0002 0.0005
	W₁(р) W₂(р) W₄(р)		0.00 4 1.5 0.01	0.00 4 0.001
	W₁(р) W₃(р) W₄(р)	0.001 1.5	0.1 0.001 0.004	0.1 0.00005 0.0001
	W₃(р) W₅(р)	0.2 0.3	0.0 1 0.2	0.0004 0.05	0.01