Лабораторная работа №11

ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ УСТРОЙСТВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Изучить работу мультивибратора к исследовать параметры его импульсов.

2. Изучить работу генератора линейно-изменяющегося напря­жения и исследовать параметры его импульсов.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Импульсные устройства служат для генерации импульсного напряжения и находят широкое применение в автоматике, вычислительной технике, радиолокации и измерительных приборах. Наиболее часто применяются устройства, генерирующие импульсы прямоугольной, экспоненциальной или пилообразной формы. В импульсных устройствах активные элементы (транзисторы я электронные лампы) работают в ключевом режиме, который характеризуется двумя состояниями: "включено" и "выключено". При состоянии "включено" транзистор работает в режиме насыщения, при состоянии "выключено" - в режиме отсечки.

Мультивибратор является генератором прямоугольных импульсов напряжения и представляет собой двухкаскадный усилитель на транзисторах, имеющий стопроцентную положительную обратную связь (рис.1).

Рис. 1.

Сущность названной обратной связи состоит в следующем. Напряжение с коллектора (выхода) транзистора VТ2 подается через конденсатор С₂ на базу (вход) транзистора VТ1. В свою очередь напряжение с коллектора VT1 подается через конденсатор С₁ на базу транзистора VT2. Увеличение потенциала на базе транзистора VТ1 ведет к уменьшению потенциала на коллекторе транзистора VТ1 и соответственно на базе транзистора VТ2. Транзистор VТ2 запирается, потенциал на его коллекторе возрастает, в связи с чем возрастает потенциал базы транзистора \/Т1. Таким образом, увеличение напряжения обратной связи приводит к увеличению входного сигнала, что свидетельствует о существовании положительной обратной связи в данном устройстве.

Процесс установления временно устойчивого состояния (квазиравновесия) в мультивибраторе протекает лавинообразно, практически мгновенно. При этом один транзистор (например, VT1) полностью открывается, а другой \/Т2 полностью закрывается. Конденсатор С₂ при этом разряжен, а С₁, заряжен почти до напряжения источника Е_К (рис. 2). Транзистор VT2 закрыт потому, что на его вход подается отрицательное напряжение с обкладки конденсатора С₁.

Конденсатор С₁ перезаряжается через резистор R₁ и открытый транзистор VT1 по цепи: плюс источника Е_К резистор R₁ , конденсатор С1, промежуток коллектор-эмиттер транзистора VТ1, минус источника Е_К. Потенциал U_б2 базы транзистора VТ2 при этом уменьшается по экспоненте с постоянной времени ₁ = R₂C₁. Конденсатор С₂ за это время успевает зарядиться через резистор и переход база-эмиттер транзистора VТ1. Его заряд происходит по экспоненте с постоянной времени ₃ = R₄C₂. При U_C1  0 транзистор VТ2 открывается и через его открытый коллекторно-эмиттерный промежуток отрицательное напряжение конденсатора С2 поступает на базу транзистора \/Т1 и последний закрывается. Мультивибратор переходит во второе состояние квазиравновесия. Теперь начинается перезаряд конденсатора C₂ через резистор R₃ и открытый транзистор VТ2 с постоянной времени ₃ = R₃C₂.

Постоянные времени ₁ и ₂ определяют длительности импульса и паузы генерируемых импульсов (рис.2):

_И  0,7R₂C₁, _П  0,7R₃C₂

и период повторения импульсов

T = t_И + t_П = 0,7(R₂C₁ + R₃C₂).

Рис. 2.

По истечении времени Т мультивибратор возвращается в первое состояние квазиравновесия. Таким образом, на выходах мультивибратора действуют автоколебания напряжений u_К1 и u_R2 прямоугольной формы.

Если С₁ = C₂, R₁ = R₄, R₂ = R₃, то выходе мультивибратора устанавливаются симметричные импульсы (t_И = t_П). Такой мультивибратор называется симметричным. Скважность импульсов q = T/ t_И принимает значение равное двум.

Рассмотренный режим работы мультивибратора называется автоколебательным.

Существует также ждущий режим работы мультивибратора, при котором он имеет одно устойчивое состояние равновесия и одно состояние квазиравновесия. В состоянии равновесия ждущий мультивибратор (одновибратор) может находиться сколь угодно долго до поступления входного сигнала. Под воздействием входного сигнала (запускающего импульса) ждущий мультивибратор переходит на временное состояние кваэиравновесия, при котором он вырабатывает один прямоугольный импульс.

Реальные импульсы искажены по сравнению с идеальными прямоугольными импульсами и характеризуются следующими основными параметрами (рис. З): амплитудой А, длительностью t_И, длительностью фронта t_Ф, длительностью спада t_С, неравномерностью вершины А.

Рис. 3.

Импульсы напряжения пилообразной формы (импульсы линейно-изменяющегося напряжения) вырабатываются генераторами линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН). Эти генераторы применяются для временной развертки луча в осциллографах и телевизорах, для преобразования напряжения во временной интервал в устройствах широтно-импульсной модуляций. Они работают как в непрерывном, так и в ждущем режиме. Электрическая схема одного из таких генераторов представлена на рис.4.

Рис. 4.

В основу работы ГЛИН положен заряд конденсатора С через резистор R_K от источника постоянного напряжения Е_K. При подаче на вход транзистора импульса положительной полярности u_вх транзистор закроется и происходит заряд конденсатора с постоянной времени _З = R_KC. После снятия через время Т_Р запирающего импульса (рис. 5) транзистор снова откроется и происходит разряд конденсатора через открытый транзистор.

Так как R_K значительно больше выходного сопротивления открытого транзистора (R_K > R_ОТКР), то постоянная времени заряда оказывается значительно больше постоянной времени разряда конденсатора (_Р = R_ОТKРC), т. е. _З > _Р, поэтому T_Р >> T_ОБР (рис. 5).

Рис. 5.

Реальные импульсы пилообразного напряжения (рис. 5) характеризуются следующими основными параметрами: амплитудой А, периодом Т, длительностью рабочего хода Т_Р , длительностью обратного хода Т_ОБР, длительностью импульса t_И, коэффициентом нелинейности .

Напряжение на конденсаторе при его заряде изменяется по экспоненте u_C = E_K[1 – exp(-t/_З)]. Линейность такой кривой достаточна высокая только на начальном участке. Поэтому для получения линейного напряжения приходится ограничивать амплитуду импульсов: A<<E_K.

Для получения импульсов с высокой линейностью и амплитудой, соизмеримой со значением Е_К , используют схемы, в которых зарядный ток через конденсатор поддерживается неизменным во времени. Неизменность зарядного тока можно обеспечить введением в цепь генератора положительной обратной связи (рис. 6), поступающей с выхода эмиттерного повторителя VT2 через конденсатор С_ОС в точку "б" в фазе с напряжением в точке "а".

Рис. 6.

Изменение потенциала _б за счет обратной связи соответствует практически изменению потенциала _а. В этом случав ток заряда

i = (_а - _б)/R_K  const

и коэффициент нелинейности может быть снижен до долей процента.

Кроме исследуемых импульсных устройств, в технике применяются и другие устройства, например, триггеры, блокинг-генераторы и другие.

ОБЪЕКТ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования являются мультивибратор, собранный на микросхеме типа 218ГГ1,и ГЛИН, собранный на транзисторах n-p-n VT1, VT2 (рис. 7). В состав микросхемы входят все элементы мультивибратора за исключением конденсаторов С₁ и С₂ (рис.1).

Рис. 7.

К внешним выводам микросхемы через переключатели П2-1 и П2-2 подключены конденсаторы С₁', С₁'', С₂'' , С₂'' различной емкости (выводы 9-10, 11-12), подведено напряжение питания (выводы 1-4), с 8-го вывода снимается выходной сигнал и поступает на вход ГЛИН, т. е. управление ГЛИН осуществляется от импульсов мультивибратора. Через выключатель В2-1 к микросхеме подведено напряжение питания Е_к. О включении микросхемы в работу свидетельствует загорание сигнальной лампочки Л. С помощью выключателя В2-2 можно подключить цепь положительной обратной связи в ГЛИН для повышения линейности выходного напряжения. Схема мультивибратора и ГЛИН смонтирована на плате №2 лабораторного стенда.

Исследование параметров импульсных сигналов производят с помощью электронного осциллографа.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Включить осциллограф и подготовить его к работе.

Подключить вход У осциллографа к выходу мультивибратора (рис.8).

Включить питание стенда, установив выключатель В1 и В2 в положение "Вкл." При этом должны загореться соответствующие сигнальные лампы. Включить питание платы №2, установив выключатель В2-1 в положение "Вкл." При этом должна загореться сигнальная лампа Л. С помощью осциллографа убедиться в наличии на выходе мультивибратора прямоугольных импульсов (синхронизация осциллографа - внутренняя; режим - ждущий).

Получая устойчивое изображение импульсов при различных положениях переключателей П2-1, П2-2,измерять период Т следования импульсов и их длительность t_И (ручки "Усиление плавно, "длительность развертки" плавно при этом вывести по часовой стрелке до упора). Данные занести в табл.1 протокола.

.Получить устойчивое изображение одного импульса в положениях 1-1 и 2-2 переключателей П2-1 и П2-2 (симметричный режим), соответствующих минимальной и максимальной длительностям импульсов, пользуясь ручками осциллографа "синхронизация", длительность развертки", "усиление У".

Зарисовать изображение импульса в симметричном режиме работы мультивибратора при минимальной длительности импульсов. Обозначить на рисунке параметры t_Ф, t_И, t_С, А.

Измерить амплитуду А и длительность импульсов t_И. Переключить ручку "длительность развертки" дискретно на меньшее значение калибровочного коэффициента. Ручками "Синхронизация" добиться отдельных изображений фронта и спада импульса. Измерить значения t_Ф и t_С. Результаты измерений занести в табл. 2 протокола.

Вход осциллографа подключить к выходным клеммам ГЛИН (резистор R_Э, рис. 7). Отключить питание платы №2. Переключатели П2-1 и П2-2 установить в положение 1-2.

Включить питание платы №2. Отрегулировать на экране осциллографа изображение пилообразного импульса, пользуясь ручками "синхронизация", "длительность развертки", "усиление У". Зарисовать изображение импульса. Обозначить на рисунке параметры А, t_И, Т_Р Т_ОБР. Определить значения параметров импульса А, t_И, Т_Р Т_ОБР. Также определить значения временных интервалов Т₁ и Т₂, необходимых для вычисления коэффициента нелинейности . Включить цепь положительной обратной связи в ГЛИНе.

Вновь измерить параметры пилообразного импульса. Результаты измерений занести в табл. 3 протокола.

Отключить питание стенда, платы №2 и осциллографа. Согласовать результаты испытаний с преподавателем, после чего схему разобрать.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТОВ

По данным табл. 1 протокола вычислить скважность импульсов, результаты занести в соответствующую графу таблицы. Для симметричного режима работы мультивибратора по полученным данным вычислить значения емкостей C_min и C_max, если R₂ = R₃ = 8,32 кОм.

Результаты занести в табл. 1.

По данным таблицы 3 протокола вычислить значения коэффициента нелинейности , результаты занести в соответствующую графу таблицы 3.

 = [(T₂ – T₁)/T₂]*100 %

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как влияют значения емкостей конденсаторов, на параметры импульсов?

2. Какими параметрами характеризуется прямоугольный импульс?

3. Как изменить частоту импульсов мультивибратора без изменения их скважности?

4 Какими способами можно изменить длительность с сохранением значения периода?

5. В каких областях техники нашли применение мультивибраторы?

6. В каком режиме работает ГЛИН - в автоколебательном или ждущем?

7. Назовите назначение элементов в схеме ГЛИН.

8. Какие существуют способы для увеличения линейности выходных импульсов ГЛИН?

9. В каких областях техники ГЛИН нашли применение?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Основы промышленной электроники/ Под ред. В.Г. Герасимова, М., Высш. школа, 1978, с. 232 - 235, 258 – 267.

2. Харченко В.М. Основы электроники. М., Энергоиздат, 1982, с. 183 - 189.

Приложение

ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ

к лабораторной работе №11 «Исследование импульсных устройств»

1. Исследование влияния значений емкостей конденсаторов на параметры импульсов мультивибратора

Таблица I

Режим работы	Период Т, с	Длительность импульсов tИ, c	Скважность q
Симметричный
С1 = С2 = Сmin = С1 = С2 = Сmax =
Несимметричный
С1 > C2 С1 < C2

2. Определение параметров импульсов в симметричном режиме мультивибратора

Таблица 2

Условия работы	А, В	tИ, с	tФ, с	tС, с
С1 = С2 = Сmin
С1 = С2 = Сmax

3. Определение параметров импульсов ГЛИНа

Таблица 3

Параметры импульсов	А, В	tИ, с	ТР, с	ТОБР, с	Т1, с	Т2, с	
с ОС
без ОС

Группа ____________ Студент ____________________ Дата __________

Преподаватель __________________

98