Генератор с цепью нулевого фазового сдвига

 

Из множества возможных цепей нулевого фазового сдвига широкое распространение получила цепь Вина (рис. 14).

Рис. 14. Цепь Вина

Выходное напряжение этой цепи U₂ имеет максимум на некоторой частоте f_Г, а фазовый сдвиг его относительно напряжения U₁ равен нулю. Это видно из амплитудно-частотной и фазовой характеристик (рис. 15).

 

Рис. 15. Амплитудно-частотная (а) и фазовая (б) характеристики цепи Вина

 

Коэффициент обратной связи c, задаваемый этой цепью при R₁=R₂=R; C₁=C₂=C определяется как:

.

Частоту генерации можно найти из баланса фаз, учитывая, что если фазовый сдвиг равен нулю, то коэффициент обратной связи должен быть числом действительным. Из этого следует:

;

.

Из последних выражений видно, что на частоте генерации .

Возникновение колебаний возможно только при выполнении баланса амплитуд, следовательно, усилитель должен быть неинвертирующим ( ) и иметь коэффициент усиления К=3.

Схема усилителя приведена на рис. 16. Генератор состоит из неинвертирующего усилителя и цепи нулевого фазового сдвига.

 

Рис.16. Схема генератора с цепью нулевого фазового сдвига

 

Необходимый коэффициент усиления усилителя легко получить, выбрав резисторы и в соответствии с выражением

.

Кроме того, важно обеспечить стабильность коэффициента усиления, так если К< 3, то наблюдается срыв колебаний, а при K> 3 –искажения формы выходного напряжения. В последнем случае синусоида выходного напряжения будет ограничена уровнями напряжений насыщения, близкими к напряжениям питания операционного усилителя.

Для получения устойчивых колебаний с минимальными искажениями вводится нелинейная обратная связь. С этой целью к резистору в цепи обратной связи добавляют последовательно или параллельно два диода, включенные встречно-параллельно (рис.17).

 

Рис. 17. Цепь обратной связи с последовательным (а)

и параллельным включением диодов

 

Их динамическое сопротивление зависит от тока, протекающего в цепи обратной связи; при увеличении напряжения на выходе генератора динамическое сопротивление уменьшается, что и приводит к снижению коэффициента усиления К до минимально необходимого для устойчивой работы генератора.

 

Генератор с фазосдвигающей цепью

 

Если в качестве усилительного звена выбрать неинвертирующий усилитель, то как следует из условий генерации, цепь обратной связи должна обеспечить на частоте генерации поворот фазы выходного напряжения на p ( ( )=p).

Из множества вариантов такой цепи наиболее широкое применение нашла трехзвенная фазовращающая цепь (рис.18).

 

Рис.18. Трехзвенная фазовращающая цепь

 

Каждое звено этой цепи поворачивает напряжение примерно на угол , что и обеспечивает общий поворот на угол π на частоте генерации

,

при этом происходит ослабление выходного сигнала в 29 раз ( ).

Для компенсации ослабления используется неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления К=29. Схема генератора показана на рис.19.

 

 

Рис.19. Схема генератора с фазовращающей цепью

 

Резистор в цепи обратной связи для стабилизации выходного напряжения делают нелинейным, добавляя пару диодов включенных встречно параллельно или полупроводниковый терморезистор.

 

 

Лабораторная работа№7

Исследование импульсных схем на операционных усилителях

Физический эксперимент

Цель работы: изучение принципа действия основных импульсных схем;

получение навыков определения параметров импульсного напряжения.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Исследовать работу компаратора

Собрать схему компаратора напряжения (рис. 1).

Рис.1. Схема компаратора

 

Макет содержит набор пассивных линейных элементов (конденсаторы и резисторы) и нелинейных элементов (диоды и стабилитроны), а также активные элементы - операционные усилители (ОУ). Схема собирается с помощью однополюсных штекеров. Для подключения приборов необходимо использовать переходные гнезда, расположенные на торцах макета.

В качестве генератора E1 использовать генератор синусоидальных напряжений Г3-36А, а генератора E2 – источник регулируемого постоянного напряжения 0…2 В. Резисторы R1 и R2 выбрать 10 кОм. Для измерения параметров импульсов подключить осциллограф. Установить напряжение на выходе генератора Е1=3 В частотой 1 кГц и, изменяя постоянное напряжение Е2, наблюдать форму выходного напряжения. Измерить длительность импульса , длительность паузы , период следования T и амплитуду импульсов , а также переднего фронта и заднего фронта . Зарисовать форму импульсов выходного напряжения при различных напряжениях E₂. Объяснить результаты эксперимента.

 

 

2. Исследование работы триггера Шмидта

 

Собрать схему триггера Шмидта (рис. 2).

 

 

Рис.2. Схема триггера Шмидта

 

Установить резистор R3=2.4 кOм. Запустить схему, зарисовать форму выходного напряжения при различных напряжениях E₁. Измерить напряжение срабатывания и напряжение отпускания , для чего осциллограф подключить к неинвертирующему входу операционного усилителя. Измерить длительность импульса и длительность паузы , а также длительность фронтов и . Сравнить измеренную длительность фронтов по п.1.

Объяснить результаты эксперимента.

 

3. Исследование работы симметричного мультивибратора

 

Собрать схему симметричного мультивибратора (рис.3), используя следующие элементы: R2=10 кОм, R3=2, 4 кОм, R1=1 Мом, С1=0, 1 мкФ.

 

 

Рис.3. Схема симметричного мультивибратора

 

Рассчитать длительность импульса и длительность паузы. Измерить длительность импульса и длительность паузы. Зарисовать форму выходного напряжения и напряжения на конденсаторе .

 

4. Исследование работы несимметричного мультивибратора

 

Собрать схему несимметричного мультивибратора (рис.4)

Рис.4. Схема несимметричного мультивибратора

 

Для случая, когда резистор R4=R1, рассчитать длительности и .

Запустить схему и измерить и .

Изменить полярность включения диода VD1, измерить и .

Объяснить результаты эксперимента.

 

Требования к отчету

 

Отчет должен содержать:

1. Принципиальные схемы исследуемых устройств.

2. Временные диаграммы.

3. Результаты измерений и расчетов.

4. Объяснение результатов экспериментов и выводы.

Контрольные вопросы

 

1. Каково назначение компараторов?

2. Нарисуйте передаточную характеристику компаратора.

3. Как определить зону нечувствительности компаратора?

4. От чего зависит крутизна фронтов выходного напряжения компаратора?

5. При каком напряжении источника Е2 (рис.1) длительность импульса будет равна длительности паузы?

6. Нарисуйте передаточную характеристику триггера Шмидта.

7. При каком напряжении источника Е1 (рис.2) триггер Шмидта не будет срабатывать?

8. Как изменить напряжения срабатывания и отпускания?

9. Объясните факт уменьшения длительности фронтов в триггере Шмидта.

10. Нарисуйте временную диаграмму работы мультивибратора.

11. Как повлияет на работу мультивибратора изменение значений резисторов R3 и R2?

 

Виртуальный эксперимент

 

Цель работы: изучение принципа действия основных импульсных схем;

получение навыков расчета и моделирования помощью программы Electronics Workbench (EWB).

 

Порядок выполнения работы

 

1.Исследование работы компаратора

Собрать схему компаратора напряжения (рис. 5).

Рис.5. Схема компаратора

 

Схема собирается на рабочем поле программы. Резисторы служат для ограничения входных токов, выбираются равными 10 кОм. На генераторе синусоидальных сигналов устанавливается сигнал порядка 3В, частотой 1 кГц. На источнике постоянного напряжения устанавливают сигнал меньше 3 В. После запуска схемы, включения и настройки осциллографа измерить длительность паузы, длительность импульса, амплитуду импульса. Уменьшить постоянное напряжение и вновь повторить измерение названых величин. Объяснить полученный результат. Зарисовать временную диаграмму.

 

2. Исследование работы триггера Шмидта

Собрать схему триггера Шмидта (рис. 6).

Рис.6. Схема триггера Шмидта

Установить следующие значения резисторов: R1=2.4 кOм, R2=10 ком, R3=2.4 ком. Запустить схему. Измерить длительность импульса , длительность паузы . Измерить напряжение срабатывания и напряжение отпускания , для чего один из входов осциллографа подключить к неинвертирующему входу операционного усилителя. Зарисовать временную диаграмму. Объяснить результаты эксперимента.

 

3. Исследование работы симметричного мультивибратора

Собрать схему симметричного мультивибратора (рис.7), используя следующие элементы: R2=10 кОм, R1=2, 4 кОм, сопротивление резистора R; емкость конденсатора C рассчитать по данным, приведенным в таблице 1.

 

Рис.8. Схема симметричного мультивибратора

 

Таблица 1

Вариант
R, МОм		0.1	-	0.51	0.82	-	0.47	0.1
C, мкФ	-	0.1	0.015	-	0.27	0.47	-
, мс		-			-			-

 

Измерить длительность импульса и длительность паузы. Зарисовать форму выходного напряжения и напряжения на конденсаторе .

 

4. Исследование работы несимметричного мультивибратора

 

Собрать схему несимметричного мультивибратора (рис.9). Значения элементов схемы остается неизменным, по сравнению со схемой симметричного мультивибратора, добавляется только цепь диод – R¢. Рассчитать значение резистора R^¢ , так, чтобы .

Запустить схему и измерить и .

Изменить полярность включения диода VD1, измерить и .

Объяснить результаты эксперимента.

 

 

Рис.9. Схема несимметричного мультивибратора

 

 

5. Исследование одновибратора

Собрать схему одновибратора рис.10.

 

Рис.10. Схема одновибратора

Сохранить элементы предыдущей схемы, добавив цепь запуска ,

и «тормозящий» диод . Подключить генератор Function Generator из меню Instruments. Открыть панель управления генератором, щелкнув два раза левой кнопкой мышки по значку, выбрать прямоугольную форму выходного напряжения, установить частоту равную

.

Длительность положительного импульса (Duty cycle) установить10%. Запустить схему.

Зарисовать временную диаграмму работы одновибратора, измерить и .

 

 

6. Исследование схемы генератора линейно изменяющихся напряжений

 

Создать на рабочем столе программы исследуемую схему (рис.11). Использовать схему и элементы несимметричного мультивибратора, который является задающим генератором прямоугольных импульсов. Резистор и стабилитрон образуют ограничитель напряжения. Напряжение на его выходе будет иметь положительную амплитуду, равную напряжению стабилизации стабилитрона ( ), и отрицательную амплитуду равную напряжению на стабилитроне, который включен в прямом направлении ( .

Рис.11. Схема генератора линейно изменяющихся напряжений

 

Рассчитать или , если одна из величин задана в таблице 2, принимая, что время интегрирования равно длительности паузы.

 

Таблица 2.

Вариант
, мкФ	0.1	-	0.15	-		-	0.5	-
, кОм	-			-	-

 

Установить рассчитанные значения, кроме того, выбрать .

Запустить схему, зарисовать временные диаграммы работы ГЛИН. Уменьшить в два раза значение , наблюдать изменения в форме выходного напряжения, объяснить полученный эффект.

 

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1. Принципиальные схемы исследуемых устройств.

2. Временные диаграммы.

3. Результаты измерений и расчетов.

4. Объяснение результатов экспериментов и выводы.

Контрольные вопросы

1. Каково назначение компараторов?

2. Нарисуйте передаточную характеристику компаратора.

3. Как определить зону нечувствительности компаратора?

4. При каком значении источника постоянного напряжения (рис.1) длительность импульса будет равна длительности паузы?

5. Нарисуйте передаточную характеристику триггера Шмидта.

6. При каком значении источника постоянного напряжения (рис.2) триггер Шмидта не будет срабатывать?

7. Как изменить напряжения срабатывания и отпускания?

8. Нарисуйте временную диаграмму работы мультивибратора.

9. Как повлияет на работу мультивибратора изменение значений резисторов R1 и R2?

10. Каково назначение одновибратора?

11.Определите, какое влияние на работу схемы одновибратора окажет изменение значений элементов.

14. Рассмотрите возможные способы изменения крутизны линейно изменяющегося напряжения.

 

 

⇐ Предыдущая6789101112131415

Поделиться: