3. Экспериментальная схема

Экспериментальная схема лабораторной работы приведена на рис. 6. На вход линии задержки подключаются либо генератор синусоидальных сигналов, либо генератор прямоугольных импульсов. К выходу линии подключаются милливольтметр ламповый и электронный осциллограф. Линия задержки типа ЛЗТ-2,0—1200 нагружена по входу и по выходу на сопротивление R_н=1,2 кОм.

4. Порядок выполнения работы

4.1. Измерить амплитудно-частотные характеристики искусственной линии задержки. Для этого подключить на вход линии задержки генератор синусоидальных колебаний, а на выход — милливольтметр. На низкочастотном краю диапазона установить уровень сигнала на 10 делений. Будем считать эту величину максимальным значением сигнала, поскольку на низкочастотной границе коэффициент пропускания искусственной линии задержки равен единице. Измерение АЧХ проводить до величины сигнала 0,2—0,3 от максимума (это будет соответствовать 2—3-му делению шкалы).

4.2. Измерить фазочастотную характеристику. На вход и выход линии задержки подключить двухлучевой осциллограф. Определить значения частот, при которых сдвиг фаз равен , 2, 3 — до 5.

4.3. Измерить длительности задержки для одного звена и всей линии по уровню 0,1 U_max.

4.4. Измерить длительность переднего фронта импульса после линии задержки по уровню 0,1—0,9 от U_max. Для этого на вход линии задержки подать импульс длительностью 2 мкс.

Рис. 6

Генераторы: ГСС — ГЗ—109, ГПИ — Г5—54; электронный осциллограф ЭО — С1—55; милливольтметр ламповый МВ — В3-38Б

5. Содержание отчета

Отчет должен содержать графики амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик, зарисованные осциллограммы задержки прямоугольного импульса, рассчитанные значения времени задержки по наклону фазочастотной характеристики и по осциллограмме. Используя данные по длительности задержки линии, длительности фронта переходного процесса и характеристическому сопротивлению линии, рассчитать параметры ячейки (L,C) линии.

6. Контрольные вопросы

1. Какими параметрами обладает идеальная линия задержки?

2. Что называется искусственной линией задержки и какими параметрами она характеризуется?

3. Что такое согласование линии задержки и как оно выполняется?

4. Как отличаются амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики идеальной и искусственной линий задержки?

7. Литература

1. Гольденберг Л. М. Основы импульсной техники. М., 1963.

Лабораторная работа № 10

МУЛЬТИВИБРАТОРЫ

1. Цель работы

Изучение принципа действия мультивибратора с коллекторно-базовыми емкостными связями.

2. Краткие теоретические сведения

Мультивибратор — радиоэлектронное устройство, вырабатывающее сигнал напряжения почти прямоугольной формы, относится к классу релаксационных генераторов. Он широко используется в физических экспериментах и в разнообразной радиоэлектронной аппаратуре (телевизоры, осциллографы, ЭВМ, измерительные приборы, электромузыкальные инструменты и т. д.).

На рис. 1 представлена схема самовозбуждающегося мультивибратора с коллекторно-базовыми емкостными связями.

Рис.1

Как известно [1], для генерирования колебаний необходимо выполнение условий баланса фаз и амплитуд. Первое условие, как видно из сказанного выше, выполняется. Второе условие, К1 (К — коэффициент усиления без обратной связи, а  — коэффициент передачи 4-полюсника положительной обратной связи), тоже выполняется, т. к. для данной схемы К>>1, а =1. Из схемы видно, что в ней отсутствуют элементы, которые дают сильную зависимость К(), () или () от частоты, поэтому форма генерируемого сигнала сильно отличается от синусоидальной, и условие К1, =2 выполняется для многих частот. Название схемы (мультивибратор) отражает именно этот факт.

Рассмотрим процесс, когда оба транзистора находятся в активном режиме. Приращение напряжения, например, на базе VT1, с усилением в противофазе подается на базу VT2. С коллектора VT2 еще более усиленное это напряжение, уже в фазе, вновь подается на базу VT1. Возникает лавинообразное изменение напряжения — скачок напряжения на базах и на коллекторах. После каждого такого скачка схема находится в одном из квазиустойчивых состояний, когда один из транзисторов закрыт (состояние отсечки), а второй — открыт (чаще всего насыщен). Потенциал (абсолютное значение) коллектора закрытого транзистора равен E_K-I_K0R_KE_K, а открытого (насыщенного) — U_KH, так что размах колебаний напряжения (импульсная амплитуда) на коллекторах составляет:

(1)

Напряжение на базе закрытого транзистора изменяется от значения E_K-I_K0R_KE_K почти до 0 по экспоненциальному закону (рис. 2).

Рис. 2

Найдем, например, время закрытого состояния транзистора VT1. Для этого определим временную функцию U_б2(t).

Рассматриваемому состоянию соответствует схема, изображенная на рис. 3.

Рис. 3

Следует заметить, что конденсатор здесь непросто разряжается от +E до 0, а перезаряжается через R_б2 с тенденцией к перемене знака (асимптотическое значение примерно равно -Е_СМ), поэтому пересечение кривой разряда U_C2(t) с линией U_б=0 происходит круто, что способствует стабильности времени Т₂.

Для анализа процесса перезаряда конденсатора обратимся к более удобной эквивалентной схеме (рис. 4).

Рис. 4

Составим и решим дифференциальное уравнение для этого случая. Для узла «а» 1-й закон Кирхгофа дает: I_C=I_K0+I_Rб, т. е.

,

, (2)

где =R_бС.

Для однородного уравнения:

, (3)

общее решение известно:

. (4)

Общее решение неоднородного уравнения (2) получим, прибавив к общему однородному решению U’_C частное неоднородное решение U”_C, равное, например, U_C():

,

.

Константа интегрирования А определяется из начальных условий:

,

,

.

Поскольку U_б(T₂)=0, то

,

откуда

. (5)

Оценка величин даёт: E_K=(1,515)В, Е_СМE_К, 0,2ВU_KH, 0,4ВU_бH, I_K010 мкА. Если пренебречь U_KH+U_бН и I_K0(R_б2-R_K) по сравнению с Е_К и Е_СМ, то получим I_К0(0,11) В.

. (6)

Иногда Е_СМ делают регулируемой для регулировки Т. Если такая регулировка не нужна, то выгоднее всего сделать Е_СМ=Е_К, т. е. R_б1 и R_б2 подключить к -Е_К. В этом случае

. (7)

Для времени закрытого состояния второго транзистора (Т) получаем аналогичные выражения. Каждое из квазиустойчивых состояний повторяется через время, равное периоду колебаний:

Т=Т₁+Т₂.

Импульсы, генерируемые мультивибратором, имеют отклонения от П-образной формы. Особенно это заметно на отрицательном перепаде напряжения U_K (c U_KH на –Е_К), который происходит не очень быстро (рис. 3). Обозначим это время t_ф^- (длительность фронта отрицательного перепада). Такой «плавный» перепад напряжения получается потому, что в это время заряжается конденсатор, подключенный одной обкладкой к коллектору данного запирающегося транзистора, а второй — к эмиттеру (через открытый переход база — эмиттер открытого транзистора), т. е. U_K=U_бH+U_C (рис. 5).

Рис. 5

Процесс установления коллекторного напряжения запертого транзистора, очевидно, подчиняется закону:

.

Поскольку U_K на конечном участке этого процесса приближается к –E_K асимптотически, то по этой причине за t_ф^- считают время установления U_K лишь до уровня 0,9E_K, т. е.

,

откуда, при условии , получаем:

. (8)

Можно, однако, уменьшить t_ф^- и сделать его примерно равным t_ф⁺, если зарядный ток времязадающих конденсаторов пропустить мимо R_K1 и R_K2, отключив конденсаторы на это время от коллекторов с помощью отключающих диодов (рис. 6).

Рис. 6

Запирающийся транзистор, например, VT2, запирает диод VD2, после чего разрядка С1 происходит по цепи эмиттер - база VT1 и резистор R2. Отпирающийся транзистор отпирает диод, и отрицательная обкладка конденсатора через диод и транзистор оказывается подключенной к эмиттеру второго транзистора, а положительная — к базе, а в остальном работа схемы происходит как обычно. Чтобы сильно не увеличивать время восстановления схемы (время заряда конденсаторов), величину сопротивлений R1 и R2 выбирают равной:

R=(0,10,3)R_б. (9)

Величина сопротивления R_б не только определяет время закрытого состояния транзистора, но и режим его в открытом состоянии (насыщен — не насыщен). Зависимость коллекторного тока транзистора от тока базы в схеме с общим эмиттером имеет вид, как показано на рис. 7.

Рис. 7

I_KH — максимальный ток коллектора (насыщенного транзистора):

,

I_бН — ток базы начала насыщения:

.

Если I_б  I_бН, то транзистор насыщен, иначе — нет. Найдем условие насыщения. После заряда конденсатора в цепи базы открытого транзистора (за время восстановления) в ней установится ток:

,

тогда для насыщения необходимо, чтобы

,

что при Е_СМ=Е_К дает:

. (10)

Глубина насыщения характеризуется величиной:

. (11)