ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ ОУ

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Лабораторные работы выполняются на универсальном стенде, обеспечивающем проведение 6 лабораторных работ по основным разделам теоретического курса «Технические средства автоматизации».

На лицевой панели стенда смонтированы три вертикальные панели. Две крайние панели содержат исследуемые схемы с соответст­вующими номерами, а средняя панель представляет собой блок пита­ния, в котором предусмотрены три регулируемых источника напряже­ний:

1) постоянного напряжения +U₁ = 0¸5 В (выключатель S1, ре­гулятор уровня R1, гнездо X1);

2) постоянного напряжения разного знака ±U2 = 0 ¸ 8 В (переключатель S2, регулятор R2, гнездо Х2);

3) переменного напряжения звуковой частоты » U3 = 0 ¸ 0,1 В (переключатель частоты S3, регулятор RЗ, гнездо X3).

В верхней части панели установлен общий сетевой выключатель "сеть", сигнальная лампа "Вкл" и предохранитель.

Схемы для проведения исследований собирается с помощью гнезд и перемычек в соответствии с принципиальной схемой электронного устройства.

Все три источника напряжения соединены между собой и исследуемыми схемами общим (нулевым) проводом, который выведен также на латунные гнезда средней панели.

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ ОУ

2.1. Существуют две разновидности генераторов периодических сигналов (по принципу действия):

1. Релаксационные,

2. Автоколебательные.

Релаксационные генераторы работают на основе заряда и разряда конденсатора через нелинейный элемент. В результате возникают параметрические колебания напряжения. Форма колебаний несинусоидальная.

Автоколебательные генераторы работают на основе самовозбуждения при наличии цепи положительной обратной связи (ПОС). Форма колебаний синусоидальная или прямоугольная.

2.2. Генератор синусоидальных колебаний

Рисунок 2.1.

Генератор имеет частотно-зависимую цепь ПОС (R1-C1-R2-C2), сигнал которой подается на неинвертирующий вход ОУ. Эта цепь определяет частоту выходного сигнала U_вых. Цепь отрицательной обратной связи (ООС) (R4-R5-R6 или R4-R7) обеспечивает синусоидальную форму выходного сигнала U_вых и стабилизирует его амплитуду.

В качестве цепи ПОС используется П-образная, Г-образная RC-цепь и мост Вина.

Условие самовозбуждения генератора.

В общем случае коэффициент передачи схемы генератора определяется:

, (2.1)

где k₀ – коэффициент усиления прямой цепи (собственный коэффициент ОУ),

k_ОС - коэффициент передачи цепи ОС (+ для ООС, - для ПОС).

Для возникновения автоколебаний необходимо, чтобы петлевой коэффициент усиления k₀ k_ОС ³ 1, а фазовый сдвиг Dj между входом и выходом отсутствовал:

1. k₀ k_ОС ³ 1 – баланс амплитуд,

2. Dj = 2pk, k = 0,1,2,3…n – баланс фаз.

В используемой схеме мост Вина имеет нижеуказанные частотные характеристики.

Рисунок 2.2.

На определенной (квазирезонансной) частоте f_M мост Вина имеет максимальный коэффициент передачи k_M = 1/3 и нулевой фазовый сдвиг j_M = 0.

С понижением частоты f увеличивается сопротивление X_C2 конденсатора C2 и коэффициент передачи падает.

С повышением частоты проявляется влияние конденсатора С1, так как сопротивление X_C1 уменьшается и шунтирует R1.

Обычно R1 = R2 = R; C1 = C2 = C, тогда

. (2.2)

Для выполнения условия k₀ k_ОС ³ 1 необходимо обеспечить усиление сигнала по положительному входу с коэффициентом k_U+ ³ 3, чтобы компенсировать k_M = 1/3.

Так как для неинвертирующего масштабного усилителя:

, (R3 = R5+R6 или R3 = R7)

то получим условия для определения сопротивления в цепи ООС:

1) ; R3 = 2R4

(2.3)

2) (для ОУ на БТ).

Для регулировки частоты выходного сигнала генератора используют сдвоенный переменный резистор в цепи ПОС (рисунок 2.3.).

Рисунок 2.3.

Диапазон плавного регулирования частоты определяется соотношением:

. (2.4)

Для расширения диапазона регулирования частоты применяют многодиапазонное переключение конденсаторов C1 и C2.

При регулировке частоты амплитуда U_вых не остается постоянной. Для ее стабилизации и получения синусоидальной формы используется нелинейная цепь ООС. Например, в качестве R7 используется вакуумированный термистор с отрицательным ТКС.

При увеличении U_вых растет ток через термистор R7 и увеличивается его температура, а сопротивление R4 при этом уменьшается. Тем самым увеличивается глубина ООС и напряжение U_вых уменьшается до исходного с заданной степенью точности.

2.3. Генератор прямоугольных импульсов

Рисунок 2.4.

В схеме генератора R8-R9-C1-VD1-VD2 образуют цепь ООС, которая обеспечивает заданное время пребывания ОУ в одном из крайних состояний (цепь частото-зависимая).

R1-R2 частото-независимая цепь ПОС; обеспечивает лавинообразный процесс переключения ОУ и прямоугольную форму U_вых.

, . (2.5)

После включения источника питания ОУ переходит в одно из крайних состояний за счет реального значения U_см ¹ 0 и действия цепи ПОС. После этого C1 заряжается по экспоненте и, когда напряжение на инвертирующем входе достигнет напряжения на неинвертирующем входе и его превысит меняется знак разности на входах ОУ и он переключается в другое крайнее состояние. После этого C1 перезаряжается от U_вых другого знака и далее процесс повторяется. В результате на выходе генератора получаем переменное напряжение прямоугольной формы. С помощью переменного резистора R8 можно изменить длительность положительного и отрицательного импульсов.

Условие переключения:

½U_C½³½U_ПОС½ (2.6)

Рисунок 2.5.

Частота переключения f_П при ½+ U_ОУмакс½=½- U_ОУмакс½:

. (2.7)

2.4. Оценка сходимости теоретических и экспериментальных данных

Сходимость теоретических и экспериментальных данных считается нормальной, если отклонение экспериментально полученной величины квазирезонансной частоты f _М моста Вина от ее теоретического значения f_C = 1/ 2pR1C1 не превышает 5% и определяется погрешностью номиналов RC-элементов и средств измерения.

3. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

3.1. Исследовать схему генератора синусоидальных колебаний на ОУ.

3.1.1. Собрать на стенде цепь положительной ОС с мостом Вина (R1 = R2 = 8,2 кОм, C1 = C2 = 0,02 мкФ) и снять амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) в диапазоне частот 32 Гц – 64 кГц. Измерение выходного напряжения производить внешним вольтметром, а частоту входного сигнала задавать встроенным генератором звуковой частоты.

Рисунок 3.1.

3.1.2. Построить график АЧХ в логарифмическом масштабе и определить по нему квазирезонансную частоту f_M моста Вина, сравнить эту частоту с теоретическим значением f_C =1/2pR1C1.

3.1.3. Собрать на стенде схему генератора синусоидальных колебаний с цепями положительной ОС (R1-R2-C1-C2) и отрицательной ОС (R4-R5-R6). Изменяя сопротивление R5 в цепи отрицательной ОС, устранить искажения синусоидального выходного сигнала, форму которого наблюдают с помощью осциллографа. По нему определить также амплитуду и частоту генерируемых колебаний и сравнить ее со значениями f_Cи f_M.

3.1.4. Изменить параметры моста Вина, подключив вместо C1 и C2 конденсаторы C1` и C2`. Зафиксировать изменение амплитуды выходного сигнала генератора с помощью вольтметра.

3.1.5. Подключить вместо линейной цепи R5-R6 отрицательной ОС полупроводниковый термистор R7,зафиксировать изменение амплитуды выходного сигнала при изменении конденсаторов моста Вина и оценить это изменение, по сравнению с п. 2.1.4.

3.2. Исследовать схему генератора прямоугольных импульсов.

3.2.1. Собрать на стенде схему генератора с цепями положительной ОС (R1-R2) и отрицательной ОС (C1-R8-R9-VD1-VD2). Изменяя сопротивление R9, зафиксировать с помощью осциллографа минимальную и максимальную длительности выходных импульсов генератора t_И,а также диапазон изменения скважности импульсов Q = T/t_И.

3.2.2. Установить резистором R9 скважность импульсов Q=2, определить фактическую частоту генератора f_П и сравнить ее с теоретической f_П при R8 = 16 кОм:

. (4.1)