Электроника_-_Методички_на_2013_год / 2013 - ELECTRONIKA_IMPULS_LABS_METODA_KAF41_5217

11

транзисторного мультивибратора: близкий по форме к прямоугольному сигнал на коллекторе транзистора и близкий к треугольному на базе транзистора.

3.Настроить частотомер в режим измерения периода колебаний, убедиться

вправильности его показаний, сравнив наблюдаемое значение с оценкой периода колебаний по осциллографу.

4.Исследовать зависимость периода T следования импульсов от параметров времязадающих цепей, заполнив таблицу П1.1 для всех 25 возможных сочетаний

переключателей П2 − П5 (при проведении эксперимента переключатели П2 − П5 нужно устанавливать так, чтобы постоянные времени разряда конденсаторов в обоих ключах были бы одинаковыми, т. е. П2 и П3 должны находиться в одинаковых положениях, П4 и П5 также должны находиться в одинаковых положениях, но независимо от П2 и П3). Если при каком-нибудь сочетании переключателей колебания мультивибратором не генерируются (наличие или отсутствие колебаний на выходе схемы контролируется по осциллографу), то показания частотомера, какими бы они ни были, в расчет принимать не нужно, при этом в соответствующей клетке табл. П1.1 ставится прочерк.

5.Исследовать зависимость периода генерируемых мультивибратором колебаний T от величины управляющего напряжения в базовых цепях

транзисторов EУПР. Для этого переключателем П1 подключить к схеме цепь регулирующего потенциометра R13, установив П1 в положение 2. Далее установить переключатели П4 и П5 в положения 3, а, переключатели П2 и П3 последовательно устанавливать в положения, указанные в таблице П1.2. Затем,

для каждого положения П2 и П3 изменять величину EУПР ручкой потенциометра R13 на макете в соответствии со значениями, указанными в таблице П1.2, и

заносить в неё показания частотомера. Для измерения величины EУПР можно либо использовать встроенный в макет вольтметр, либо подключить внешний вольтметр к гнездам Г4 и Г5.

6.Наблюдать осциллограммы выходного процесса мультивибратора на коллекторе транзистора VT2 (клеммы Г6, Г7), и процесса на базе транзистора VT2 (в контрольных точках Г8, Г13). Установив переключатели П2 – П5 в положения 3, и отключив потенциометр R13 (П1 установить в положение 1), тщательно зарисовать наблюдаемые осциллограммы в протоколе, обязательно зафиксировав

впротоколе рядом с рисунком параметры развертки осциллографа по времени и амплитуде. Очень важно сохранить соотношения между диаграммами и нулевыми уровнями напряжения, для выставления которых нужно поставить

трехпозиционные переключатели у	входов осциллографа в положения
“ заземленный вход” (" ┴"), подстроить	регуляторами "↕" положения нулевых

уровней так, чтобы горизонтально идущие лучи совпадали с линиями сетки экрана осциллографа, и, вернув переключатели в рабочие положения " ~ ", зарисовать сигналы, указав на рисунке в явном виде уровни выставленных нулевых потенциалов.

По окончании работы и/или за 3...4 минуты до конца занятия выключить лабораторный макет, измерительные приборы и подписать протокол измерений у преподавателя.

12

1.4. Содержание отчета.

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

1.Формулировку цели работы.

2.Принципиальные электрические схемы мультивибраторов, построенных по схемам рис. 1.1 и рис. 1.2.

3.Экспериментально снятые временные диаграммы работы мультивибратора, иллюстрирующие его работу.

4.Приближенную формулу для теоретического расчета периода колебаний симметричного (при RБ1=RБ2=RБ и С1=С2=С) мультивибратора:

TТЕОР=2 kT RБ С.

(1.2)

5. Таблицу с рассчитанными значениями постоянных времени τ по формуле τ=RБ С и экспериментально измеренными значениями периода колебаний T. Данные следует представить в форме таблицы 1.2.

			Таблица 1.2
RБ1=RБ2=RБ, Ом	С1=С2=С, Ф	τ=RБ С, сек.	T, сек.
15 103	680 10−12	1.02 10−5
15 103	3300 10−12	4.95 10−5
...	...	...
...	...	...
...	...	...
160 103	10000 10−12	1.60 10−3
160 103	33000 10−12	5.28 10−3

6. Графики зависимостей:

-зависимость экспериментально снятого значения периода колебаний T мультивибратора от постоянной времени τ по данным таблицы 1.2 (при построении не нужно строить по отмеченным точкам сложную кривую, требуется провести одну прямую так, чтобы она максимально достоверно соответствовала распределению всех точек на плоскости графика); для

графика требуется обязательно использовать логарифмический масштаб по обеим осям ;

-3 зависимости периода Т от величины управляющего напряжения в

базовых цепях транзисторов EУПР для разных значений сопротивлений в базовых цепях (по данным таблицы П1.2) на одном графике.

7. По графику T от τ определить коэффициент пропорциональности K, соответствующий построенному графику прямой линии T=K τ, и рассчитать на его основе значение kT в формуле для теоретического расчета периода колебаний

При использовании для построения графиков компьютерных пакетов программ	(в	частности, таких, как
MS Excel, и т. п.), следует предварительно отсортировать значения аргумента τ	по	возрастанию значений

(разумеется, с сохранением взаимного соответствия значений τ и T), поскольку в таблице значения τ изначально идут НЕ по порядку возрастания.

13

симметричного мультивибратора (kT=K/2). Привести расчеты в отчёте.

8. Выводы по работе (в письменной форме), в которых следует отразить характер зависимости периода колебаний для исследованных схем от различных факторов, ответив на следующие вопросы:

-можно ли считать, что зависимость экспериментально измеренных значений периода колебаний Т от постоянной времени τ=R С соответствует прямо пропорциональной зависимости с достаточной для практики точностью (иными словами, насколько значимы отклонения точек на графике TЭКСП от τ от построенной прямой)?;

-каков характер зависимости периода колебаний автоколебательного

мультивибратора от управляющего напряжения EУПР в базовых цепях транзисторов (если характер зависимости будет различным для разных значений номиналов RБ, следует отметить, в чём состоят эти различия)?;

-можно ли использовать исследованный автоколебательный

мультивибратор как преобразователь напряжения EУПР в частоту, и если можно, то нет ли каких-нибудь ограничений в этом плане, например, связанных с неоднозначностью подобного преобразования?;

-привести рассчитанное значение коэффициента пропорциональности kT; отметить, действительно ли kT в формуле для расчета периода колебаний имеет порядок единицы.

Кроме того, в выводах можно привести ответы на контрольные вопросы.

К отчету должен прилагаться оригинал протокола измерений, подписанный преподавателем.

1.5. Контрольные вопросы.

1.Поясните принцип работы автоколебательного мультивибратора на биполярных транзисторах (указание: начав с исходного состояния схемы один транзистор закрыт, другой насыщен, пояснить, каким образом через некоторое время состояние схемы самопроизвольно изменится на противоположное).

2.Чем определяются уровни напряжений на выходе мультивибратора во время импульса и паузы между импульсами?

3.По какому закону изменяется напряжение на базе закрытого транзистора, как изменится этот закон в случае применения "охранных" диодов?

4.Проанализируйте, может ли внешняя нагрузка мультивибратора (подключаемая между коллектором одного из транзисторов и общим проводом) оказать влияние на значение периода формируемых колебаний.

5.Чем ограничивается максимальная частота следования импульсов автоколебательного мультивибратора на биполярных транзисторах?

6.Пользуясь временными диаграммами, поясните как диоды VD1 и VD4 в схеме мультивибратора, изображенного на рис. 1.2, способствуют улучшению формы импульсов: нарисуйте для сравнения “ плохую” и “ хорошую” форму импульсов и объясните, за счёт каких процессов форма улучшается.

7.Поясните, как диоды VD2 и VD5 способствуют увеличению скорости переключения транзисторов мультивибратора, изображенного на рис. 1.2.

8. Пользуясь экспериментально зарегистрированными временными

14

диаграммами, поясните назначение "охранных" диодов VD3 и VD6 в схеме мультивибратора, изображенного на рис. 1.2.

9.Поясните, как изменится работа схемы мультивибратора, изображенного на рис. 1.2, если исключить из неё сопротивления R7 и R10 (заменив их проводниками).

10.Почему на период колебаний автоколебательного мультивибратора влияет управляющее напряжение смещения базовых цепей транзисторов (EУПР)?

11.Проанализируйте, может ли повлиять на период колебаний мультивибратора, построенного по схеме рис. 1.1, изменение сопротивлений RK1 и

RK2.

12.Нарисуйте какой-нибудь вариант схемы автоколебательного мультивибратора на основе полевых транзисторов.

13.Поясните, как изменится осциллограмма на первом выходе (Вых. 1) мультивибратора, построенного по схеме, изображенной на рис. 1.1, если сделать эту схему несимметричной (например, при RБ1=RБ2 и С1<<C2).

14.Что такое насыщение транзистора и каковы схемотехнические меры противодействия глубокому насыщению транзистора?

Библиографический список.

1.Фролкин В.Т., Попов Л.Н. Импульсные и цифровые устройства. М.:

Радио и связь, 1992. С. 310 - 313.

2.Гольденберг Л.М. Импульсные устройства. М.: Радио и связь, 1981.

3.Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника (полный курс): Учеб. для вузов. Под ред. О.П. Глудкина. М.: Горячая Линия Телеком, 2005. 768 с.

15

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 (макет №20)

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛАКСАЦИОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Цель работы: исследование принципов построения, функционирования и расчета параметров релаксационных генераторов на основе операционных усилителей.

2.1. Методические указания по выполнению работы.

Релаксационные генераторы предназначены для формирования прямоугольных импульсов с заданными характеристиками. Работа таких устройств основана на поочередном заряде и разряде конденсаторов. В качестве активного элемента для построения релаксационных устройств в некоторых случаях целесообразно использовать операционные усилители (ОУ).

Особенностью ОУ, отличающей его от всех остальных усилительных устройств, является наличие двух входов: прямого (неинвертирующего) и инвертирующего, обозначаемых символами "+" и "−", соответственно. Входные напряжения UВХ+ и UВХ− подаются на каждый вход относительно общего провода схемы (на схемах обозначается символом "┴"), относительно него же измеряется выходное напряжение UВЫХ. Математически работа ОУ описывается соотношением

UВЫХ = K0 (UВХ+ − UВХ−),

(1.1)

где K0 собственный коэффициент усиления ОУ по напряжению, который в зависимости от типа ОУ может достигать значений сотен тысяч и даже единиц миллионов.

В результате даже крайне малая разность входных напряжений UВХ+ и UВХ− приводит к возникновению на выходе ОУ значительного напряжения. Если же ОУ физически не может сформировать то напряжение, которое следует из математического соотношения (1.1), то он оказывается в т. н. режиме насыщения и формирует на выходе максимально возможное напряжение соответствующей полярности. Обычно максимальные значения напряжений на выходе ОУ (их два: максимальное напряжение положительной полярности U+max и максимальное напряжение отрицательной полярности U−max) приблизительно равны величинам напряжения двух источников питания положительной и отрицательной полярности относительно общего провода схемы (на схемах источники питания ОУ иногда не изображаются в явном виде), которые необходимы для работы ОУ.

Схема автоколебательного мультивибратора на ОУ приведена на рис. 2.1, а; а на рис. 2.1, б приведены диаграммы, поясняющие её работу.

В данной схеме колебания возникают самопроизвольно и продолжаются неограниченно долго. Кратко процесс их возникновения объясняется следующим образом. После включения схемы на выходе ОУ всегда будет какое-то небольшое напряжение, положительное или отрицательное, обусловленное неизбежной, хотя и небольшой внутренней асимметрией дифференциального каскада ОУ и

UВХ+=βОСUВЫХ)

16

множеством других причин.

а) б)

Рис. 2.1. Автоколебательный мультивибратор на операционном усилителе: а) принципиальная электрическая схема, б) временные диаграммы работы.

Положим, что это начальное выходное напряжение положительно. На инвертирующем входе ОУ при разряженном конденсаторе напряжение в первый момент времени после включения схемы всегда равно нулю. На неинвертирующий вход ОУ через резистивный делитель ROC+ − R+ подается часть выходного напряжения (коэффициент передачи делителя в цепи положительной обратной связи обозначим через βOC: для рассматриваемой схемы справедливо

UВХ+=βOCUВЫХ, где βOC=R+/(R++ROC+)). Таким образом, сразу после включения питания в рассматриваемом случае UВХ+−UВХ−>0. Положительная обратная связь вызывает лавинообразный процесс нарастания выходного напряжения: чем больше становится UВХ+, тем больше становится UВЫХ, а это вызывает дополнительный прирост UВХ+, и т. д. В итоге, на выходе ОУ очень быстро устанавливается максимально возможное значение положительного по знаку напряжения, которое способен выработать ОУ (U+max). После этого выходное напряжение уже расти не может; соответственно, в схеме на какое-то время устанавливается квазиравновесное1 состояние с неизменными значениями

UВЫХ=U+max и UВХ+=βOCU+max. В то же время через резистор ROC− от выходного напряжения ОУ начинает постепенно заряжаться конденсатор С. Напряжение на

конденсаторе (UC) приложено непосредственно к инвертирующему входу ОУ, и оно постепенно растёт. В принципе оно могло бы дорасти до напряжения источника зарядного напряжения U+max, но этого не произойдёт: когда напряжение на инвертирующем входе ОУ превысит напряжение на его неинвертирующем входе (UВХ+=βOCU+max), разность UВХ+−UВХ− станет

отрицательной и	выходное	напряжение в силу (2.1) очень быстро
(“ скачкообразно”)	изменит	полярность на противоположную. Поскольку

напряжение на конденсаторе так же быстро измениться не может, то разность UВХ+−UВХ− после скачка выходного напряжения останется отрицательной и (с учётом в схеме опять разовьётся описанный выше

1 Приставка “ квази-” эквивалентна по смыслу речевому обороту “ как бы”.

max.

17

лавинообразный процесс нарастания выходного напряжения до максимально возможного значения. Естественно, в данном случае нарастание и максимум понимаются по абсолютному значению, поскольку напряжение теперь уже отрицательное. По достижении выходным напряжением ОУ предельно возможного отрицательного значения (U−max), в схеме опять на какое-то время устанавливаются неизменные значения UВЫХ=U−max и UВХ+=βОСU−max. Конденсатор С, очевидно, будучи ранее заряженным до напряжения βU+max, теперь оказался подключенным к напряжению отрицательной полярности, равному U− Поэтому сначала конденсатор постепенно разряжается через резистор ROC−, а далее начинает заряжаться, “ набирая” напряжение отрицательной полярности. В пределе UC стремится по экспоненциальному закону к U−max, но зарядиться до этого значения конденсатор опять-таки не сможет: через некоторое время отрицательное напряжение UC (а, значит, напряжение на инвертирующем входе ОУ) превысит (по модулю) отрицательное напряжение на его неинвертирующем входе UВХ+. В этот момент выходное напряжение вновь скачком изменит полярность в строгом соответствии с формулой (2.1), поскольку из одного отрицательного числа происходит вычитание другого отрицательного, большего по абсолютному значению, результат вычитания будет положительным. И опять возникнет лавинообразный процесс. Схема, таким образом, работает в автоколебательном режиме: процессы резкой смены состояний выходного напряжения ОУ происходят автоматически, без какого-либо запуска извне.

Период генерируемых колебаний зависит от параметров схемы. Как видно из диаграмм, при достижении напряжения на конденсаторе уровней βОСU+max и βОСU−max выходное напряжение мультивибратора меняет полярность. Перезаряд конденсатора происходит по экспоненциальному закону с постоянной времени τ = RОС− С, т. е. чем больше номиналы RОС− и С, тем дольше длится каждая отдельно взятая фаза колебаний, тем больше будет и период колебаний. Конечно же, период зависит и от выбора значения параметра βОС.

При U−max = −U+max (что справедливо для подавляющего большинства ОУ) длительности положительной и отрицательной фаз колебания будут равны:

TИ+ = TИ− = t. Период колебаний определяется в этом случае как T = 2t.

При анализе автоколебательного мультивибратора период генерируемых им колебаний можно теоретически рассчитать по точной формуле

		+	2 R +
					(2.2)
	T = 2 R OC − C Ln 1			.
			R OC +

Формула (2.2) показывает, от каких факторов и в какой степени зависит период колебаний; в частности, можно заметить, что T не зависит от уровней рабочих напряжений операционного усилителя U−max и U+max, а значит и от нестабильности напряжений источников питания, что является важным преимуществом схемы.

Регулировка скважности колебаний может быть обеспечена заменой резистора RОС− на специальную цепочку, содержащую два резистора разного

18

номинала, поочередно переключаемых с помощью диодов, как это сделано в лабораторном макете (когда переключатель П2 находится в положении 3). В этом случае сопротивление цепи отрицательной обратной связи будет различным для выходных сигналов положительной и отрицательной полярности, поэтому в такой схеме в общем случае колебания будут несимметричными, с T−≠T+.

Схема ждущего мультивибратора приведена на рис. 2.2, а, а временные

диаграммы, поясняющие его работу на рис. 2.2, б.

а)

б)

Рис. 2.2. Ждущий мультивибратор на операционном усилителе:

а) принципиальная электрическая схема, б) временные диаграммы работы.

Эта схема также построена на основе ОУ, охваченного как положительной, так и отрицательной обратной связью. В отличие от схемы автоколебательного мультивибратора, процессы в ждущем мультивибраторе начинают протекать только под воздействием запуска извне. Вообще, назначение любого ждущего мультивибратора сформировать один выходной импульс заданной длительности TИ после подачи на вход схемы запускающего импульса UВХ, длительность которого может быть при этом произвольной.

Работа схемы кратко поясняется следующим образом. В исходном состоянии при отсутствии запускающего импульса, на выходе ОУ устанавливается напряжение отрицательной полярности. В таком состоянии эта схема может находиться неограниченно долго, поскольку здесь наличие диода VDС исключает возможность заряда конденсатора С: ток сигналов отрицательной полярности проходит через этот диод, минуя конденсатор, и напряжение на нём никогда не дорастёт до порогового уровня переключения ОУ. Впрочем, здесь, как в схеме автоколебательного мультивибратора, после включения питания схемы на выходе ОУ в силу многих случайных причин может установиться положительное напряжение, этого полностью исключать нельзя. Тогда схема самопроизвольно запустится, сформирует один импульс (механизм его формирования в этом случае

UВХ+−UВХ−

19

аналогичен механизму формирования фазы T+ уже рассмотренного автоколебательного мультивибратора на ОУ), и, так же, как и в схеме автоколебательного мультивибратора, через какое-то время выходное напряжение сменит полярность на отрицательную. Конденсатор при этом разрядится, а зарядиться до отрицательного напряжения ему воспрепятствует диод VDС, и установившееся максимально возможное отрицательное напряжение U−max на выходе ОУ может сохраняться неограниченно долго, до подачи внешнего запускающего импульса.

После подачи запускающего импульса положительной полярности, ток, прошедший через незаряженный конденсатор цепи запуска Cзап и диод VDзап, окажется, при достаточной амплитуде запускающего импульса, больше тока отрицательной полярности, протекающего с выхода ОУ через резистор RОС+. Следовательно, напряжение UВХ+, действующее на неинвертирующем входе ОУ, в этот момент станет положительным. Напряжение на конденсаторе быстро измениться не сможет, и выходное напряжение ОУ в результате лавинообразного процесса очень быстро устанавливается на уровне UВЫХ = U+max. Теперь цепь положительной обратной связи будет поддерживать напряжение на выходе ОУ положительным, даже когда входной запускающий импульс закончится. Диод VDС оказывается смещенным в обратном направлении и не пропускает ток. Это приводит к тому, что конденсатор С получает возможность заряжаться через резистор RОС− и положительное по знаку напряжение UC начинает постепенно увеличиваться. В момент времени, когда напряжение на заряжающемся конденсаторе достигнет значения βОСU+max, разность UВХ+−UВХ− станет

отрицательной и	выходное напряжение	ОУ в	силу (2.1)	очень быстро
(“ скачкообразно”) изменит полярность на		противоположную.		Лавинообразный
процесс переводит	ОУ в устойчивое состояние		с UВЫХ = U−max. При этом

конденсатор С сначала разрядится, а его возможному последующему заряду отрицательным напряжением препятствует диод VDC. Таким образом, после формирования выходного импульса ждущий мультивибратор сам возвращает себя в исходное устойчивое состояние, сохраняющееся неизменным сколь угодно долго в ожидании очередного запускающего импульса на входе.

Дифференцирующая цепочка СЗАП − RЗАП предназначена для укорочения входного запускающего импульса, с тем, чтобы схема могла нормально работать в случае, когда длительность импульса запуска превышает длительность формируемого. Если бы этой цепи не было, то при достаточно большой амплитуде запускающего импульса выходной импульс мультивибратора продолжался бы вплоть до окончания входного (поскольку при этом напряжение даже полностью заряженного конденсатора не смогло бы превысить напряжение на неинвертирующем входе ОУ и разность оставалась бы положительной вплоть до окончания импульса запуска). При меньшей амплитуде запускающего импульса, напряжение на конденсаторе, возможно, и смогло бы достигнуть порогового уровня, но на это потребовалось бы больше времени, следовательно, длительность выходного импульса зависела бы от амплитуды входного импульса, а это для ждущего мультивибратора крайне нежелательно. И, наконец, диод VDЗАП введен в схему для того чтобы, во-первых, на

20

неинвертирующий вход ОУ могли бы проходить запускающие импульсы только положительной полярности, и, во-вторых, чтобы работу ждущего мультивибратора не смог бы нарушить отрицательный выброс, неизбежно образующийся при дифференцировании заднего фронта запускающего импульса

(см. эпюру U′ВХ на рис. 2.2, б).

Длительность формируемого рассматриваемым ждущим мультивибратором импульса теоретически рассчитывается по точной формуле

			R +
		+			(2.3)
	TИ = R OC − C Ln 1			.
			R OC +

Достоинствами рассмотренных схем релаксационных генераторов на ОУ являются: относительная простота схем, стабильность работы, незначительная зависимость от характеристик ОУ (а значит, хорошая воспроизводимость характеристик генераторов при серийном производстве электронной аппаратуры, в которой применяются такие генераторы) и т .д. Однако есть и недостаток: диапазон рабочих частот выходных сигналов намного уже, чем у транзисторных схем (если, конечно, для сравнения брать активные компоненты одного частотного диапазона). Это связано с тем, что ОУ, являясь, по сути, многокаскадным транзисторным усилителем, в общем случае намного дольше выходит из режима насыщения, чем одиночный транзистор. С этим связано и то обстоятельство, что форма выходного импульса релаксационного генератора на основе ОУ отличается от прямоугольной. Причем, если для правильно спроектированных транзисторных схем (см., например, схему на рис. 1.2) отличие формы его выходных импульсов от прямоугольной определяется в основном ёмкостью внешней нагрузки на выходе, то в схеме на основе ОУ искажения импульсов в первую очередь обусловлены инерционными свойствами самого ОУ. И даже у специальных широкополосных ОУ время выхода из режима насыщения исчисляется в лучшем случае единицами микросекунд, тогда как для хороших биполярных транзисторов это же время имеет порядок десятков и даже единиц наносекунд. Применение вместо ОУ современных аналоговых компараторов напряжения позволяет обеспечить намного лучшее быстродействие релаксационных схем.

2.2. Описание лабораторной установки.

Принципиальная схема лабораторного макета приведена на его лицевой панели. С помощью переключателей П1 – П4 собирается схема релаксационного генератора на ОУ с различными параметрами. Переключатель П1 коммутирует компоненты в цепи инвертирующего входа ОУ, П2 изменяет параметры цепи отрицательной обратной связи (RОС−), П3 коммутирует компоненты в цепи неинвертирующего входа ОУ, П4 изменяет параметры RОС+. Сопротивление R1 позволяет изменять напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя (когда П1 находится в положении 3).

В качестве ОУ в схеме макета используется интегральная микросхема