Лабораторная работа №5

НЕЛИНЕЙНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ДИОДНЫХ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Целью работы является изучение методов построения и принципов работы схем параллельных диодных ограничителей. Исследование влияния элементов параллельных диодных ограничителей на форму и параметры выходного сигнала.

Основные теоретические положения

Ограничителем называют нелинейный четырехполюсник, выходное напряжение которого остается на постоянном уровне, если входное напряжение выходит за переделы ограничения. Если входное напряжение не выходит за пределы ограничения, то выходное напряжение повторяет форму входного. Диодные ограничители применяют для формирования импульсов из сигналов произвольной формы, в том числе и из синусоидального сигнала.

Диодные ограничители параллельного типа характеризуются тем, что ограничивающие диоды включают параллельно нагрузке. Полярность управляющего напряжения такова, что оно стремится закрыть диод. Ограничение происходит в моменты времени, когда диод открыт, т. е. прямое сопротивление диода R_пр мало и изменение тока практически не меняет падения напряжения на нем. Все приращения входного напряжения, вызывающие изменения тока в цепи падает на резисторе R₀, который иногда называют балластным. Наличие R₀ обязательно для схем с включением нелинейного элемента параллельно с нагрузкой. Рассмотрим, например, параллельный диодный ограничитель, приведенный на рис 1.

Рис 1. Диодный ограничитель сверху.

Если величина входного сигнала будет меньше напряжения управления, то диод будет находиться в закрытом состоянии и не будет влиять на передачу сигнала, т.е. напряжение на нагрузке будет повторять форму входного сигнала e_вх. В момент времени, когда e_вх будет превышать Е_у, диод будет открыт. При этом напряжение на последовательном соединении диода и источника управляющего напряжения будет фиксировано на уровне Е_у. На таком же уровне будет находиться и напряжение на нагрузке, т.е. в сигнале на нагрузке будет срезана верхняя часть синусоиды. Такое ограничение называют ограничением сверху.

Рис 2. Графики напряжения входного напряжения

источника и выходного напряжения ограничителя.

Коэффициент передачи в область ограничения:

, (1)

где ; R_пр - прямое сопротивление открытого диода;

R_н - сопротивление нагрузки.

При закрытом состоянии диода:

, (2)

где ; R_обр - обратное сопротивление закрытого диода.

Чтобы приблизить коэффициент передачи в режиме ограничения к нулю, а в режиме пропускания - к единице, параметры элементов параллельного ограничителя необходимо выбрать из условий: R_н>>R₀>>R_пр, R_н<<R_обр. Передаточная характеристика приведена на рис 3.

Рис 3. Передаточная характеристика ограничителя

Аналогично можно получить ограничение снизу, если поменять полярности включения диода VD и источника управляющего напряжения Е_у.

Чтобы реализовать двухсторонний ограничитель (рис 4), включают еще одну цепь, параллельную нагрузке.

Рис 4. Двухсторонний параллельный диодный ограничитель.

Диод VD₂ будет закрыт тогда, когда величина e_вх превышает Е_у2, при этом диод VD₂ не будет влиять на U_вых. В те моменты времени, когда e_вх становится меньше Е_у2, диод VD₂ откроется и напряжение на нагрузке фиксируется на отрицательном уровне Е_у2. В результате на нагрузке получим разнополярную последовательность трапецеидальных импульсов e_вх (рис 5).

Чем больше амплитуда входного сигнала, тем короче будет длительность фронтов и тем ближе будет форма импульсов в прямоугольной. При необходимости получить импульсы одной полярности, величину Е_у1 или Е_у2 выбирают равной нулю. При Е_у2=0 можно получить однополярную последовательность положительных импульсов. Если поменять полярность напряжения Е_у2, то в отрицательной полупериод входного сигнала напряжение на нагрузке будет фиксироваться на положительном уровне, равном Е_у2. Измененное по знаку Е_у2 не должно превышать величину Е_у1, т.к. в противном случае это приведет к открыванию обоих диодов и источники Е_у1 и Е_у2 окажутся короткозамкнуты.

Рис 5. Графики напряжений входного и выходного сигналов

двухстороннего параллельного ограничителя.

В тех случаях, когда не требуется регулировать величину Е_у, вместо цепи диод-источник напряжения включают стабилитрон. Если Е_у1=Е_у2, то можно включить двухсторонний стабилитрон.

ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ.

1. Начертите схемы для исследования параллельных диодных ограничителей сверху и снизу при использовании стабилитрона.

2. Рассчитать коэффициенты передачи этих схем с учетом источника управляющего напряжения Е_у.

3 Построить передаточные характеристики исследуемых диодных ограничителей.

4. Построить графики входного и выходного напряжений для трех значений управляющего напряжения Е_у<0, Е_у=0, Е_у>0. Определить моменты времени включения и отключения диода (стабилитрона).

ПРОГРАММА РАБОТЫ.

1. Собрать электрическую схему параллельного диодного ограничителя с ограничением сверху.

Указание. Элементы диодного ограничителя взять из панели нелинейных элементов лабораторного универсального стенда. Источником входного сигнала служит звуковой генератор, размещенный сверху стенда, источником постоянного напряжения управления является регулируемый стабилизатор, расположенный на плате источников питания.

2. Снять осциллограммы входного напряжения, напряжения на диоде и выходных импульсов при различных напряжениях управляющего сигнала Е_у=0, Е_у<0, Е_у>0.

Указание. Частоту звукового генератора установить в диапазоне (1-10) кГц, амплитуду - (1020) В. Масштаб напряжений m_U при данном (фиксированном) усилении по оси у осциллографа определить по выбранному и измеренному вольтметром напряжению источника управления диодного ограничителя.

Масштаб времени m_t по оси x осциллографа определить по частоте звукового генератора.

3. На всех осциллограммах провести оси координат и обозначить масштабы напряжения и времени.

Указание. Для определения положения оси времени закоротить вход осциллографа, отсоединив его от исследуемой цепи.

4. Определить по осциллограммам моменты времени включения и отключения диода (стабилитрона) и сравнить их с расчетными.

5. Повторить пункты 1-4 для параллельного диодного ограничителя снизу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Отчет должен содержать цель работы, схемы экспериментов, расчет коэффициентов передачи и моменты времени включения и отключения диодов, осциллограммы, выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Каково отличие параллельных диодных ограничителей от последовательных?

2. Какие типы параллельных диодных ограничителей вы знаете?

3. Как определить коэффициент передачи диодного ограничителя?

4. Как определить моменты времени включения и отключения диода в параллельном ограничителе?

5. Как выбрать сопротивление нагрузки параллельного ограничителя?

6. Можно ли получить при помощи двухстороннего ограничителя однополярные импульсы с уровнями ограничения не равными нулю?

7. Можно ли использовать стабилитрон в параллельном диодном ограничителе?

8. Как построить двухсторонний ограничитель, не используя источники напряжения управления?

9. Расскажите принцип работы параллельного двухстороннего диодного ограничителя.

10. Могут ли быть уровни ограничения в двухстороннем ограничителе одинакового знака? Приведите схему такого ограничителя.

11. Для чего служит балластное сопротивление параллельного диодного ограничителя?

12. Какая опасность существует при выборе напряжений управления Е_у1 и Е_у2 одинакового знака в двухстороннем ограничителе? [1, пар. 6.7; 2, пар. 9.1; 3, пар. 3.4]

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. Электроника. М, ВШ, 1991.

2. В.А. Скаржепа, А.Н. Луценко. Электроника и микросхемотехника, часть 1. Киев, 1989.

3. В.К. Захаров, Ю.И. Лыпарь. Электронные устройства автоматики и телемеханики. Л., Энергоатомиздат, 1984.