Исследование схем коррекции

ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Целью работы является практическое ознакомление со схемами коррекции ОУ для предотвращения его паразитного самовозбуждения.

Основные сведения.В схемах на основе операционных усилителей (ОУ) существует опасность паразитного самовозбуждения, т. е. превращения схемы в автогенератор вопреки ee функциональному назначению. Такая опасность существует из-за двух причин: огромного значения коэффициента усиления ОУ и наличия паразитных емкостей, через которые может образовываться цепь положительной обратной связи. Из теории автогенераторов известно, что усилитель, охваченный цепью обратной связи, самовозбуждается при одновременном выполнении условий баланса амплитуд Кγ ³ 1 и баланса фаз Δφ_К + Δφ_γ = n × 360°, n = 0, 1, 2, ..., где К и γ – соответственно, коэффициенты передачи усилителя и цепи обратной связи; Δφ_К и Δφ_γ – сдвиги фаз в усилителе и в цепи обратной связи.

На высоких частотах у операционных усилителей происходит, с одной стороны, снижение К, а с другой – рост значения Δφ_К. Если допустить, что значения γ и Δφ_γ от частоты не зависят, причем Δφ_γ = 0 (это справедливо для многих схем на основе ОУ), то на низких и средних частотах (где Δφ_К = 180°, при инвертирующем включении ОУ) условие баланса фаз не выполняется и генерация не возникает. C увеличением частоты Δφ_К возрастает и может достигнуть 360° и больших значений. Однако генерация возникает только в случае, когда на этих частотах выполняется условие баланса амплитуд, т. е. при К > 1/ γ .

Склонность схемы к паразитному самовозбуждению можно оценить тремя способами, которые иллюстрирует рис. 7.1. Рисунки справа соответствуют схеме с большей склонностью к самовозбуждению.

Рис 7.1

Верхние графики отражают уровни шумов на выходе схемы, средние – форму выходных сигналов при подаче на вход усилителя прямоугольных импульсов, нижние – форму АЧХ усилителя.

Итак, для предотвращения паразитного самовозбуждения ОУ достаточно нарушить хотя бы одно из условий балансов амплитуд или фаз. Чаще всего это требование реализуется за счёт искусственного снижения К на частотах, где Δφ_К достигает 360°.

Искусственное изменение свойств любого усилителя с помощью подключения дополнительных (в первую очередь, реактивных) элементов называется коррекцией. Цель коррекции может быть разной. В транзисторных усилителях ею пользуются обычно для поднятия коэффициента усиления, в том числе и на высоких частотах: у этих схем К намного ниже, чем у ОУ, и угроза паразитного самовозбуждения менее существенна. У схем на базе ОУ, напротив, с помощью коррекции, как правило, снижают коэффициент усиления в диапазоне частот, где имеется риск самовозбуждения.

Рис. 7.2.

Схемная реализация коррекции ОУ обычно такова: ею охватывают не весь усилитель, а один или несколько каскадов – к специальным выводам микросхемы подключают один или несколько внешних элементов (конденсаторов, резисторов). В данной работе рассматриваются однополюсная и двухполюсная коррекции, коррекция с помощью параллельного канала и коррекция с фазовым запаздыванием. Однополюсная коррекция заключается во включении параллельно одному из усилительных каскадов ОУ емкости С_K (рис. 7.2). Эта емкость на высоких частотах шунтирует усилитель и снижает усиление ОУ. Недостатком коррекции является существенное уменьшение полосы усиления ОУ и, как следствие, снижение скорости нарастания импульсных сигналов.

а	б
Рис. 7.3

Схема двухполюсной коррекции приведена на рис. 7.3, а: она состоит из двух конденсаторов С₁ и С₂ и резистора R₃, причем С₂ ³ 10С₁. Действие схемы различно на разных частотах: при достаточно малых значениях частоты сопротивление С₂ велико и сигнал через цепь не проходит, никакого корректирующего воздействия схема не оказывает. С увеличением частоты сопротивление С₂ уменьшается и цепь двухполюсной коррекции превращается в цепь однополюсной коррекции, причем функцию С_K выполняет эквивалентная емкость С_э = С₁С₂/(С₁ + С₂). Следовательно, можно считать, что схема двухполюсной коррекции состоит из частотно-управляемого ключа и включаемой им схемы однополюсной коррекции. На рис. 7.3, б изображены амплитудно-частотные характеристики ОУ без коррекции (1), при использовании однополюсной (2) и двухполюсной (3) коррекций.

Схема коррекции с помощью параллельного канала (рис. 7.4), в отличие от двухполюсной охватывает не выходные, а входные каскады ОУ. Низкочастотные гармоники поступают на инвертирующий вход схемы и подвергаются максимальному усилению, а высокочастотные проходят через конденсатор С, подключенный к специальному выводу. Для этих гармоник коэффициент усиления меньше и тем самым предотвращается паразитное самовозбуждение ОУ.

Схема коррекции с фазовым запаздыванием (рис. 7.5) подключается между двумя входами операционного усилителя и содержит резистор и конденсатор. Сопротивление корректирующей цепи на высоких частотах уменьшается и шунтирует вход усилителя, что эквивалентно уменьшению К для высокочастотных гармоник спектра сигнала.

Все четыре рассматриваемых в работе схемы коррекции разрушают условие баланса амплитуд, однако существуют и схемы, нарушающие баланс фаз. Например, в усилитель вводят дополнительную дифференцирующую цепь; при этом имеет место компенсация сдвига фаз в усилителе Δφ_К сдвигом фаз в цепи коррекции, так как Δφ_К и Δφ_кор имеют разные знаки (рис. 7.6, где кривая 1 – график Δφ_К; 2 – график Δφ_кор; 3 – их суммы).

Введение коррекции наряду с решением главной задачи – предотвращением паразитного самовозбуждения схемы на основе ОУ – влечет за собой ухудшение ее частотных свойств. В разной степени, но непременно уменьшаются полоса пропускания усилителя и скорость нарастания выходного напряжения. Многообразие цепей коррекции позволяет разработчикам решать проблему устойчивости схем с учетом требований к другим важным параметрам ОУ.

Описание лабораторной установки.В состав лабораторной установ-ки входят лабораторный макет, генератор (формирующий гармонические сигналы, а также последовательности прямоугольных импульсов типа меанд-ра), два вольтметра переменного напряжения и осциллограф. Схема макета приведена на рис. 7.7. В разделе «Порядок выполнения работы» использованы номера резисторов и конденсаторов, указанные на ней.

Порядок выполнения работы:

1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет.

2. Проверить усилитель на склонность к возбуждению.

а) соединить оба входа ОУ с землей: инвертирующий – через сопротивление R1, неинвертирующий – через R5 на лицевой панели макета. Охватить усилитель обратной связью – сопротивлением R6. К выходу ОУ подключить осциллограф;

б) изменяя значение R6, определить зоны устойчивой и неустойчивой работы усилителя по изображению на экране осциллографа (при устойчивой работе на экране наблюдается прямая горизонтальная линия, возможно с наложением на нее небольших шумов внешнего происхождения; при неустойчивой – широкая полоса). Зафиксировать значения R6, соответствующие обеим зонам.

3. Измерить АЧХ усилителя:

а) гармонический сигнал от генератора подать через R1 на инвертирующий вход, неинвертирующий оставить заземленным через R5. К выходу ОУ параллельно осциллографу подключить вольтметр;

б) установить уровень гармонического сигнала на входе усилителя 10 мВ

и, поддерживая ее постоянной, изменять частоту в пределах от 20 кГц до 2 МГц, измеряя при этом значение выходного сигнала с помощью вольтметра. Опыт проделать для значений R6, соответствующих устойчивой работе усилителя.

4. Исследовать форму импульсов на выходе усилителя при разных значениях сопротивления в обратной связи:

а) переключить генератор в режим формирования меандра амплитудой 10 мВ и частотой следования 20 кГц, сохранив на лицевой панели макета все перемычки, установленные при выполнении п. 3;

б) зарисовать (сфотографировать) осциллограммы импульсов при тех же значениях потенциометра R6, что и в п. 2 и 3, измерить длительности их фронтов (τ_фр). Рассчитать скорость нарастания сигнала по формуле u ≈ 2Е/τ_фр.

5. Подключить к ранее собранной схеме однополюсную коррекцию ОУ (функцию корректирующей емкости выполняет в макете конденсатор С5). Повторить п. п. 2–4 для случая подключения однополюсной коррекции.

6. Заменить однополюсную коррекцию двухполюсной (функцию цепи двухполюсной коррекции выполняют в макете конденсаторы С6, С7 и R7). Повторить п. п. 2–4 для случая подключения двухполюсной коррекции.

7. Заменить двухполюсную коррекцию схемой коррекции с помощью параллельного канала (функцию цепи коррекции выполняют в макете конденсаторы С2 и С3). Повторить п. п. 2–4.

8. Исследовать схему коррекции с фазовым запаздыванием. При выполнении п. 8 подключить генератор к неинвертирующему входу ОУ через резистор R3, а инвертирующий вход ОУ заземлить через R2. Сохранить подключение R6 между инвертирующим входом и выходом ОУ. Функцию цепи коррекции выполняют последовательно соединенные С1 и R4, ее следует подсоединить между входами ОУ. Повторить п. п. 2–4 для случая подключения коррекции с фазовым опережением.

Содержание отчета:

1. Схемы соединения приборов при измерениях.

2. Значения сопротивления R6, соответствующие зонам устойчивой и неустойчивой работы ОУ (согласно п. п. 2, 5–8)

3. Графики АЧХ (согласно п. п. 3, 5–8)

4. Зарисовки (или фотографии) импульсов, значения длительностей их фронтов и скоростей нарастания (согласно п. п. 4, 5–8)

5. Выводы.

Лабораторная работа № 8

ИССЛЕДОВАНИЕ RC-ГЕНЕРАТОРОВ

Целью работы является практическое ознакомление с генераторами гармонических колебаний низкой частоты на основе RC-генераторов.

Основные сведения. Под генератором, или автоколебательным устройством, подразумевается первичный источник колебаний, работающий в режиме самовозбуждения. Любой автогенератор представляет собой нелинейное устройство, преобразующее энергию источника питания (обычно в виде постоянного тока) в энергию колебаний. При этом для возникновения генерации необходимо выполнение двух условий:

Кγ ≥1; (8.1)

Δφ_К + Δφ_γ = n × 360°, n = 0, 1, 2,… (8.2)

где К, γ – коэффициенты передачи усилителя и цепи обратной связи; Δφ_К , Δφ_γ – сдвиги фаз в усилителе и в цепи обратной связи.

Выражение (8.1) называется условием баланса амплитуд и показывает, что при самовозбуждении сигнал на выходе цепи обратной связи должен быть не меньше сигнала на входе усилителя, т. е. усиление усилителя на частоте генерации должно полностью компенсировать ослабление сигнала при прохождении цепи обратной связи. Условие (8.2) показывает, что на частоте генерации фаза сигнала, прошедшего по всей цепочке «усилитель – цепь обратной связи», должна совпасть с исходной, т. е. сдвиг фаз в генераторе должен быть равен n × 360°. Чтобы автоколебания были гармоническими, необ-ходимо, чтобы баланс амплитуд и баланс фаз быстро нарушались по обе стороны от частоты генерации. Для этого цепь обратной связи выполняют избирательной с помощью RС-цепочек. Квазирезонанс наступает на частоте

f₀ = 1/ (2πRC) (8.3)

Рассмотрим схемы генераторов с различными RC-цепочками в цепи обратной связи. Схема RC-генератора с мостом Вина приведена на рис. 8.1.

Так как в схеме моста Вина на частоте f₀ сдвиг фаз равен 0, а коэф-фициент передачи γ = 1/3, то, включив мост Вина в цепь положительной обратной связи операционного усилителя, получим автогенератор.

Коэффициент усиления отрицательной обратной связи схемы регулируется с помощью сопротивления R₃в цепи отрицательной обратной связи.

Схема RC-генератора с двойным Т-образным мостом приведена на рис. 8.2. Так как мост является режекторным фильтром, то он включается в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя. В результате этого усилитель на всех частотах, кроме частоты f₀, охвачен сильной отри-цательной обратной связью. Кроме того, усилитель охвачен неглубокой положительной обратной связью, выполненной на сопротивлениях R₄ и R₅. На всех частотах, кроме f₀,отрицательная обратная связь влияет сильнее, чем положительная, поэтому генерация имеет место лишь на частоте f₀.

Схема генератора, в котором используется трехзвенная RC-цепочка, приведена на рис. 8.3. Такая цепочка включается в цепь отрицательной обратной связи. С помощью сопротивлений R₁ – R₃ устанавливается сдвиг фаз φ₀, который на некоторой частоте f₀ будет равен 180°.

В этом случае будет выполняться условие баланса фаз, и при некотором коэффициенте усиления операционного усилителя, регулируемом сопротивлением R₄, будет компенсироваться затухание в цепи обратной связи и в схеме возникнут автоколебания. Изменение значения одного из элементов RC-цепочек приводит к изменению сдвига фаз и, соответственно, смещает частоту генерации.

Схема с двойным Т-образным мостом обеспечивает наибольшую стабильность частоты генерации.

Для всех рассмотренных типов RC-генераторов весьма актуальным яв-ляется сохранение хорошей формы гармонических колебаний при перестройке частоты, изменении внешних условий, напряжения питания, значения нагрузки. Режимы насыщения и отсечки у транзисторов наступают резко, что приводит к нелинейным искажениям сигнала.

Описание лабораторной установки.В состав лабораторной установки входят макет, осциллограф, генератор гармонических сигналов, вольтметр переменного напряжения и цифровой частотомер и измеритель нелинейных искажений.

Порядок выполнения работы:

1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет.

2. Исследование RС-генератора с мостом Вина (см. рис. 8.1):

а) рассчитать по формуле (8.3) частоту колебаний генератора (f₀) для схемы, элементы которой имеют параметры, указанные преподавателем;

б) снять амплитудно-частотную характеристику моста Вина в диа-пазоне частот (0,5…1,5)f₀. Для этого подать с генератора низкой частоты на вход моста Вина гармонический сигнал амплитудой 1…2 В, амплитуду выходного сигнала измерять с помощью милливольтметра. На частоте квазирезонанса f₀ измерить коэффициент передачи цепи;

в) снять фазочастотную характеристику моста Вина в диапазоне частот (0,8…1,2) f₀. Измерения произвести с помощью осциллографа;

г) собрать схему генератора с мостом Вина в цепи обратной связи и с помощью потенциометра R₃ добиться возникновения колебаний. Цифровым частотомером измерить частоту колебаний f₀;

д) меняя регулировочным сопротивлением значение отрицательной обратной связи (а значит, и коэффициент усиления К), определить минимальный коэффициент усиления, при котором возможно возникновение генерации. Для этого необходимо добиться возникновения в схеме генерации и с помощью милливольтметра измерить исходное напряжение генерации (U_ген). Затем разомкнуть цепь обратной связи, отключив мост Вина от усилителя, подать на неинвертирующий вход ОУ напряжение с генератора гармонических сигналов с частотой f = f₀ и такой амплитудой U_вх, при которой выходное напряжение усилителя будет равно U_ген. Коэффициент усиления определяется по формуле

К = U_вых / U_вх.

3. Исследование RC-генератора с двойным Т-образным мостом (см. рис. 8.2) в соответствии с методикой, изложенной в п. 2, а–е.

4. Исследование RC-генератора с трехзвенной RC-цепью:

а) собрать схему генератора с трехзвенной RC-цепью (см. рис. 8.3). Изменяя параметры звена обратной связи (сопротивления R₁ – R₃), а также коэффициент усиления усилителя (сопротивление R₄), добиться возникно-вения генерации. Наличие генерации определить по показаниям милливольтметра или осциллографа, подключенного к выходу макета;

б) измерить частоту колебаний автогенератора;

в) произвести исследования по методике, изложенной в п. 2, а–е.

Содержание отчета:

1. Схемы исследуемых генераторов и схемы соединения приборов.

2. Результаты измерений и расчетов по п. п. 2–4.

3. Выводы.

Лабораторная работа № 9

ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ КЛЮЧЕЙ

Целью работы является изучение схем аналоговых электронных ключей, построенных на различных полупроводниковых приборах.

Основные сведения.Аналоговый электронный ключ – это устройство, предназначенное для коммутации аналоговых сигналов от источника на нагрузку. В аналоговых ключах полупроводниковые приборы работают в ключевых режимах. При этом ключ имеет два устойчивых состояния: открытое и закрытое.

При одном из состояний ключа напряжение в нагрузке минимально (в идеальном случае равно нулю), при другом – максимально (в идеале равно напряжению источника сигнала). Режим работы ключа задаётся внешним управляющим сигналом, в качестве которого в данной лабораторной работе используется меандр – последовательность прямоугольных видеоимпульсов со скважностью 2. Схемы аналоговых ключей делят на два основных класса в

зависимости от включения по отношению к нагрузке: параллельные (рис. 9.1) и последовательные (рис. 9.2).

Основными параметрами ключа являются:

– коэффициент коммутации, различным образом определяемый для разных типов ключей: К_к = U_{вых. откр} /U_{вых. закр} – для последовательного ключа; К_к = U_{вых. закр}/U_{вых. откр} – для параллельного, где U_{вых. откр} и U_{вых. закр} – соответственно, напряжения на выходе открытого и закрытого ключей. Очевидно, что ключ тем эффективнее, чем больше коэффициент коммутации. У идеального ключа К_к стремится к бесконечности;

– коэффициент передачи ключа, определяемый как К_п = U_{вых. откр}/ /U_вх для последовательного ключа и К_п = U_{вых. закр}/U_вх – для параллельного, где U_вх– напряжение на входе ключа. Так как ключ в режиме пропускания от источника в нагрузку не должен вызывать ослабление сигнала, но и вместе с тем не предназначен для его усиления, то в идеальном ключе К_п = 1;

– амплитудно-частотная характеристика ключа – зависимость коэф-фициента передачи от частоты сигнала;

– пороговое напряжение – такое напряжение, в окрестностях которого сопротивление ключа резко меняется;

– входные сопротивления по сигнальному и управляющему входам;

– чувствительность – разность амплитуд управляющих импульсов, при которых обеспечивается К_к = 10 и К_к= 1,1;

– быстродействие ключа, которое характеризуется временем его переключения из одного состояния в другое (от уровня 0,1U_выхmax до уровня 0,9U_{вых max}).

В лабораторной работе рассматриваются четыре различные схемы ключей. На рис. 9.3 приведена схема последовательного аналогового ключа на диодах. При отсутствии сигнала на управляющем входе транзистор VТ₂ закрыт. Положительное коллекторное напряжение закрывает диоды VD₁ и VD₂. При подаче на управляющий вход положительного напряжения транзистор VТ₂ открывается и на его коллекторе появляется отрицательное напряжение, открывающее диоды. Входной сигнал проходит на выход. Диодный ключ работает в широком диапазоне частот. Нижняя граничная частота данного ключа зависит от значений разделительных емкостей.

На рис. 9.4 приведена схема параллельного ключа на биполярном транзисторе. При отсутствии управляющего напряжения транзистор закрыт, и входной сигнал беспрепятственно проходит на выход, так как сопротивление закрытого транзистора велико и он не шунтирует нагрузку. При подаче положительного напряжения на управляющий вход транзистор открывается и переходит в режим насыщения: его сопротивление становится очень малым и он шунтирует нагрузку; при этом практически весь входной сигнал будет падать на сопротивлении R₁.

Двойной параллельный электронный ключ на полевых транзисторах изображён на рис. 9.5. Принцип действия его аналогичен принципу действия ключа на биполярном транзисторе. Схема отличается большим значением коэффициента коммутации. Емкости С₁ и С₂ предназначены для уменьшения выбросов управляющего напряжения при открывании ключа. Достоинствами схемы являются ее очень большое входное сопротивление (порядка единиц мегаом), а также возможность коммутировать сигналы очень низкого уровня (единицы микровольт).

На рис. 9.6 приведена схема аналогового ключа на оптронах – полупроводниковых приборах, содержащих в одном корпусе светодиод и фотодиод, оптически связанные между собой. Данная схема является комбинированной (последовательно-параллельной). При подаче на управляющий вход положительного напряжения в оптроне VD₁ зажигается светодиод, фотодиод открывается и входной сигнал проходит на выход. В оптроне VD₂ светодиод остается закрытым, темновое сопротивление фотодиода велико и не влияет на значение выходного напряжения. При подаче на управляющий вход отрицательного напряжения светодиод в оптроне VD₁ остается закрытым, сопротивление фотодиода велико и сигнал в нагрузку не поступает. Одновременно открывается светодиод в оптроне VD₂, сопротивление фотодиода резко уменьшается и шунтирует нагрузку, дополнительно ослабляя входной сигнал. Достоинством ключа на оптронах является отсутствие гальванической связи между управляющим входом и цепью, соединяющей источник сигнала и нагрузку.

Описание лабораторной установки.В состав лабораторной установки входят: макет, генератор прямоугольных импульсов, генератор гармо-нического сигнала, вольтметр переменного напряжения, магазин сопротивлений и двухканальный осциллограф.

Порядок выполнения работы:

1. Исследование ключа на диодах:

а) включить с помощью переключателя схему, изображенную на рис. 9.3. Установить напряжения источников питания +9 и –12 В;

б) подать с генератора гармонических сигналов на входы 1 и 2 исследуемой схемы напряжение амплитудой U_вх = 0,5 В с частотой f= 1 кГц;

в) подать с генератора прямоугольных импульсов на входы 3 и 4 ключа импульсы амплитудой U_упр = 10 В длительностью 5 мс. Зарисовать или сфотографировать с экрана осциллографа форму напряжений на выходе и на входах 1–2 и 3-4 ключа. Измерить значения U_выхпри двух состояниях ключа;

г) рассчитать значения коэффициентов коммутации и передачи исследуемого ключа на основании результатов измерений;

д) снять амплитудно-частотную характеристику ключа. Для этого при постоянном уровне U_вхизменять частоту (f) сигнала в пределах от 20 Гц до 2 МГц, регистрируя значение U_вых. Результат измерений представить в форме графика, пронормированного относительно максимального коэффициента передачи;

е) вновь установить частоту входного сигнала f= 1 кГц. По осциллограмме выходного сигнала определить быстродействие ключа при двух уровнях U_упр (10 и 2 В);.

ж) изменяя амплитуду U_упр, определить чувствительность ключа;

з) определить входное сопротивление ключа по сигнальному и управляющему входам. Для этого подключить магазин сопротивлений между генератором гармонического сигнала и сигнальным входом ключа. Подключить к гнездам 1 и 2 макета вольтметр и, постепенно увеличивая значение сопротивления от исходного нулевого значения, добиться уменьшения регистрируемого вольтметром напряжения в 2 раза;

и) определить входное сопротивление ключа по управляющему входу. Для этого подключить магазин сопротивлений между генератором импульсов и управляющим входом ключа. Подключить к гнездам 3 и 4 макета осциллограф и, постепенно увеличивая значение сопротивления от исходного нулевого значения, добиться уменьшения амплитуды импульсов на экране осциллографа в 2 раза (при неизменном масштабе изображения по оси Y).

2. Исследование ключа на биполярном транзисторе:

а) включить схему, изображенную на рис. 9.4;

б) произвести измерения в соответствии с п. 1,б–и.

3. Исследование ключа на полевом транзисторе:

а) включить схему, изображенную на рис. 9.5;

б) произвести измерения в соответствии с п. 1,б–и.

4. Исследование ключа на оптронах:

а) включить схему, изображенную на рис. 9.6.

б) произвести измерения в соответствии с п. 1,б–и.(примечание: для схемы, представленной на рис. 9.6, установить на входах 1–2 гармонический сигнал напряжением U_вх = 1 В).

Содержание отчета:

1. Схемы соединения приборов и исследуемых ключей.

2. Результаты экспериментальных исследований и расчетов по п. п. 1–4 в виде таблиц и графиков.

3. Выводы.

Лабораторная работа № 10

ИССЛЕДОВАНИЕ МУЛЬТИВИБРАТОРОВ

Целью работы является изучение наиболее распространенных генераторов прямоугольных видеоимпульсов – мультивибраторов – в автоколебательном и ждущем режимах, а также в режимах деления частоты и синхронизации. В современной электронике находят применение мультивибраторы на транзисторах, динисторах, логических элементах. В данной работе в качестве элементной базы для построения схем мультивибраторов выбраны ОУ.

Основные сведения. Видеоимпульсы прямоугольной формы характеризуются двумя уровнями сигнала: однополярные импульсы имеют высокий и низкий (почти нулевой) уровни, двухполярные – равные по модулю положительный и отрицательный уровни. Для формирования однополярных импульсов обычно применяют транзисторные генераторы, для создания двухполярных – схемы на операционных усилителях (выбор элементной базы обусловлен тем, что транзистор обеспечивается однополярным питанием, а ОУ – симметричным двухполярным). Переход с одного уровня на другой осуществляется очень быстро. Мультивибраторы работают в четырех режимах:

– автоколебательном, т. е. в режиме генерации непрерывной импульсной последовательности без подачи на схему какого-либо сигнала; параметры сигнала определяются исключительно значениями элементов схемы мультивибратора;

– ждущем, при реализации которого мультивибратор вырабатывает одиночный импульс при подаче на вход короткого импульса запуска (ждущий мультивибратор называют поэтому также одновибратором);

– синхронизации, который является промежуточным между автоколебательным и ждущим, так как на вход схемы поступают короткие импульсы, хотя сам мультивибратор является автоколебательным; при подаче входных импульсов происходит синхронизация (подстройка) временных параметров импульсов, вырабатываемых мультивибратором при подаче входного сигнала (схема реагирует при этом на каждый входной импульс);

– деления частоты, аналогичном режиму синхронизации (мультивибраторы в режимах деления частоты и синхронизации не различаются даже схемами), но в котором мультивибратор реагирует не на каждый входной импульс.

Прямоугольные видеоимпульсы (идеальной формы) характеризуются следующими параметрами:

– положительным уровнем сигнала +Е (точнее, ≈ +Е);

– отрицательным уровнем сигнала −Е (точнее, ≈ −Е) (+Е и −Е – напряжения источников питания ОУ, входящего в схему мультивибратора);

– длительностью положительного импульса τ⁺;

– длительностью отрицательного импульса τ⁻;

– периодом Т = τ⁺ + τ ⁻,

– скважностями Q⁺ = Т/ τ⁺ и Q⁻ = Т/ τ⁻.

Амплитуду и период импульсов запуска для ждущего мультивибратора обозначают, соответственно, как U_зап и Т_зап, а амплитуду и период входных импульсов в режимах синхронизации и деления частоты – как U_вх и Т_вх. Схема автоколебательного мультивибратора на ОУ приведена на рис. 10.1. Операционный усилитель вместе с резистивным делителем на сопротивлениях R₂ и R₃ образует регенеративный компаратор, переключение которого происходит в моменты равенства потенциалов на неинвертирующем и инвертирующем входах ОУ (f⁺ и f⁻ соответственно). Значение f⁺ жестко связано с уровнем выходного сигнала, составляющем поочередно +Е или −Е, и с коэффициентом деления делителя и равно +ЕR₃/(R₂ + R₃) либо −ЕR₃/(R₂ + R₃). Значение f⁻ плавно меняется из-за заряда (точнее, перезаряда) емкости С через сопротивление R₁, потенциометр R₄/R₅ и один из диодов VD: при этом процесс заряда начинается в момент переключения компаратора от уровня −ЕR₃/(R₂ + R₃), и стремится завершиться достижением уровня выходного сигнала +Е (или наоборот – от уровня +ЕR₃/(R₂ + R₃) до уровня −Е; кривые заряда различны при различной полярности выходного сигнала и включают либо R₁, R₄ и диод VD₁, либо R₁, R₅ и VD₂). Однако завершиться процесс заряда не может, так как при достижении напряжением на емкости, т. е. и потенциалом f⁻ уровня f⁺ компаратор вновь переключается и сигнал на выходе мультивибратора вновь меняет полярность.

Длительность импульсов мультивибратора

τ⁺ = С(R₁ + R₄) ln(1 + 2 R₂/ R₃);

τ⁻ = С(R₁ + R₅) ln(1 + 2 R₂/ R₃).

Таким образом, период импульсов зависит только от значений С, R₁, R₂ и R₃, а скважности определяются соотношениями

Q⁺ = (2 R₁ + R₄ + R₅)/(R₁ + R₄),

Q⁻ = (2 R₁ + R₄ + R₅)/(R₁ + R₅).

Амплитуда импульсов на выходе мультивибратора примерно равна 2Е. Схема ждущего мультивибратора (одновибратора) приведена на рис. 10.2. От автоколебательного мультивибратора она отличается в первую очередь наличием диода VD₁, параллельного емкости С₁ зарядной цепи.

При одной из полярностей выходного сигнала диод открыт, емкость разряжена, f⁻ = 0 (при включении диода в соответствии со схемой такое состояние наблюдается при −Е). Так как при этом f⁺ = − ЕR₃/(R₂ + R₃), то регенеративный компаратор и весь мультивибратор находятся в устойчивом состоянии. Вывести схему из устойчивого состояния можно лишь подачей импульса положительной полярности с амплитудой U_зап> ЕR₃/(R₂ + R₃). Тогда на короткое время полярность потенциала f⁺ поменяется на противоположную, а этого достаточно для изменения полярности выходного сигнала мультивибратора. При этом диод VD₁ закрывается и начинается заряд емкости С₁ через сопротивление R₁ и увеличение f⁻. По достижении f⁻ = f⁺ = +ЕR₃/(R₂ + R₃) компаратор переключается, на этот раз без подачи внешнего сигнала, самопроизвольно. Схема возвращается в исходное состояние по выходу. Завершается процесс восстановления быстрым разрядом емкости С₁ через вновь открывшийся диод VD₁.

Цепь запуска состоит из дифференцирующей цепи С₂–R₄, служащей для укорочения входного воздействия, и диода VD₂, исключающего поступление на вход ОУ обратного выброса сигнала, образующегося после дифференцирования. Подача следующего запускающего импульса допустима лишь после восстановления исходного состояния ждущего мультивибратора.

Длительность импульса на выходе ждущего мультивибратора τ⁺ = СR₁ln(1 + R₂/R₃). Отсутствие «двойки» в скобке перед отношением сопротивлений, образующих резистивный делитель, вызвано тем, что, в отличие от автоколебательного мультивибратора, заряд емкости в ждущей схеме начинается с нуля. На рис. 10.3 приведена схема мультивибратора, работающего в режимах синхронизации и деления частоты. В своей основе – это автоколебательный мультивибратор, аналогичный изображенному на рис. 10.1, к которому добавлена входная цепь, аналогичная цепи запуска ждущего мультивибратора.

В основу работы схемы положен эффект срабатывания регенеративного компаратора при равенстве потенциалов на входах ОУ. При отсутствии входных сигналов f⁺ постоянен в течение всего интервала времени, когда неизменна полярность выходного сигнала. Если же на вход мультивибратора поступают короткие импульсы, то они складываются с напряжением, задаваемым делителем на сопротивлениях, и f⁺ на короткое время возрастает, приближаясь к плавно меняющемуся уровню f⁻. В результате равенство потенциалов может наступить раньше, произойдет преждевременное переключение компаратора и длительность импульса на выходе мультивибратора уменьшится, причем станет равной или кратной периоду входных импульсов(Т_вх).

Отношение К_д = Т/Т_вх называется коэффициентом деления; в режиме синхронизации К_д = 1. Значение коэффициента деления зависит как от U_вх и Т_вх, так и от ЕR₃/(R₂ + R₃).

Описание лабораторной установки.В состав лабораторной установки входят: макет, генератор прямоугольных импульсов и осциллограф.

Порядок выполнения работы:

1. Исследование автоколебательного мультивибратора:

а) собрать схему, изображенную на рис. 10.1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет;

б) с помощью осциллографа зарисовать форму напряжений на выходе мультивибратора и на обоих входах ОУ;

в) измерить значения τ⁺, τ⁻ и Т сигнала на выходе мультивибратора при двух разных значениях R₁; при двух разных значениях С; при разных соотношениях R₄ и R₅ (значения R₁ и отношения R₄/R₅ следует изменять, вращая движки потенциометров, выведенных на лицевую панель макета; для изменения значения емкости необходимо параллельно к основному конденсатору подключить дополнительный);

г) рассчитать значения Q⁺ и Q⁻ для всех результатов измерений.

2. Исследование ждущего мультивибратора:

а) собрать схему, изображенную на рис. 10.2. Для подачи импульсов запуска соединить выход генератора импульсов со входом цепи запуска на макете. Установить такую частоту импульсов запуска, чтобы Т_запв 5–10 раз превосходил максимальное значение Т, измеренное в п. 1,в;

б) изменяя амплитуду импульсов запуска, зафиксировать напряжение, при котором ждущий мультивибратор начинает работать;

в) измерить и сопоставить параметры импульсов запуска и импульсов на выходе мультивибратора;

г) меняя напряжение одного из источников питания от 15 до 9 В при неизменном напряжении другого источника, зарегистрировать изменение длительности и амплитуды импульса на выходе мультивибратора.

3. Исследование мультивибратора в режимах синхронизации и деления частоты:

а) собрать схему, изображенную на рис. 10.3. На вход макета подать от генератора прямоугольных импульсов меандр с периодом в 5 раз меньшим, нежели минимальное значение τ⁺ или τ⁻, измеренное в п. 1,в;

б) зарисовать форму напряжений на выходе мультивибратора и на обоих входах ОУ;

в) изменяя амплитуду входных импульсов, измерить зависимость коэффициента деления от U_вх.

Содержание отчета:

1. Схемы исследуемых мультивибраторов.

2. Результаты экспериментальных исследований и расчетов п. п. 1–3 в виде таблиц и графиков.

3. Выводы.

Лабораторная работа № 11

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ ЛИНЕЙНО