Порядок выполнения работы

1. Собрать на макетном поле схему автоколебательного мультивибратора (рис. 3.1, а). Сопротивления и взять из расчета обеспечения  =

= 0,10,2; и взять из расчета обеспечения частоты формируемых импульсов в диапазоне от 1,0 до 100,0 кГц.

2. Изменяя сопротивления и выявить характер зависимости от и . Определить скважность формируемых импульсов.

3. Собрать на макетном поле схему автоколебательного мультивибратора (рис. 3.1, б). Сопротивления и взять из расчета обеспечения  =

= 0,10,2; , и взять из расчета обеспечения длительности импульсов в диапазоне от 1,0 до 100,0 мc.

4. Варьируя сопротивления и выявить характер изменения частоты импульсов от и . Определить скважность формируемых импульсов.

5. Собрать на макетном поле схему ждущего мультивибратора (рис. 3.2, а). Сопротивления и взять из расчета обеспечения  = 0,15; и взять из расчета обеспечения постоянной времени дифференцирующей цепочки = 0,1 мc; и взять из расчета формирования импульсов длительностью в диапазоне от 1,0 до 30,0 мc.

6. Варьируя номиналы сопротивлений , и выявить характер изменения длительности формируемых импульсов от значений перечисленных сопротивлений.

7. Изменяя частоту запускающих импульсов от 1,0 до 50 кГц исследовать процесс деления частоты импульсов мультивибратором.

Содержание отчета

1. Функциональные схемы автоколебательных и ждущего мультивибраторов.

2. Таблицы зависимости длительности и периода следования импульсов автоколебательного мультивибратора от сопротивлений и .

3. Таблицы зависимости длительности импульсов, формируемых ждущим мультивибратором, от сопротивлений и .

3. Анализ влияния элементов схемы мультивибраторов на амплитуду и длительность формируемых импульсов.

Контрольные вопросы

1. Каким образом глубина обратной связи  влияет на амплитуду и длительность импульсов, формируемых автоколебательным и ждущим мультивибраторами?

2. Какие элементы схемы мультивибраторов влияют на стабильность частоты и длительности формируемых импульсов?

3. Какие параметры импульсов, формируемых автоколебательным и ждущим мультивибраторами, изменятся при изменении напряжения питания ОУ?

4. При какой амплитуде запускающих импульсов ждущий мультивибратор не будет срабатывать?

5. Объясните работу ждущего мультивибратора в режиме деления частоты.

6. Как влияют характеристики диодов, используемых в схемах автоколебательного и ждущего мультивибраторов, на параметры формируемых импульсов?

7. Какие элементы схемы мультивибраторов определяют предельную частоту и ограничивают длительность формируемых импульсов?

Лабораторная работа № 4

Исследование генераторов гармонических сигналов

на операционных усилителях

Цель работы: исследование характеристик генераторов гармонических сигналов на ОУ с мостом Вина и с кварцевым резонатором.

Описание схемы исследуемого устройства

Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание, стабильное по частоте и амплитуде. Генератор состоит из последовательно соединенных усилителя, частотно-зависимой цепи, обеспечивающей избирательную передачу сигналов определенной частоты, и элемента обратной связи, обеспечивающего поступление выходного сигнала на вход усилителя. Для формирования гармонических колебаний необходимо выполнить условия баланса амплитуд и баланса фаз. Условие баланса амплитуд определяет коэффициент петлевого усиления в цепи генератора: =  = 1, где – коэффициенты передачи всех элементов, образующих замкнутую цепь передачи сигнала (усилителя, частотно-зависимой цепи и элемента обратной связи). Условие баланса фаз определяет значение суммарного фазового сдвига , вносимого всеми элементами петлевого усиления: =  = 2n, где n – натуральное число. При > 1 в генераторе будут наблюдаться возрастающие по амплитуде гармонические колебания. При достижении амплитудой колебаний значения операционного усилителя колебания начнут искажаться. В предельном случае они будут иметь вид прямоугольных импульсов. При < 1 в генераторе будут происходить затухающие колебания, которые в предельном случае прекратятся. Таким образом, для обеспечения незатухающих гармонических колебаний требуется положительная обратная связь и компенсация усилителем потерь сигнала в частотно-зависимой цепи и элементе обратной связи.

В качестве частотно-зависимых цепей в генераторах гармонических сигналов используются параллельные и последовательные LC-контуры, фазосдвигающие RC-цепи, мост Вина, состоящий из последовательно-параллель­ных RC-элементов, и кварцевый резонатор.

Рассмотрим мост Вина (рис. 4.1, а). Обозначим = + , а = || = [ (1 – ]/[1 + ].

Коэффициент передачи моста Вина определяется соотношением

= / = /[ + ] =

= | | /[| | + | | ],

где и – фазовые сдвиги, вносимые цепочками и , а | | и | | – модули их комплексного сопротивления на частоте . Фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами будет отсутствовать при =

= на частоте = . На этой частоте, называемой резонансной, будет и максимальный коэффициент передачи = 1/3. Добротность моста Вина Q = / = 6, где  – полоса частот, определяемая относительным коэффициентом передачи на уровне 0,7 от максимального коэффициента передачи = 1/3.

Рис. 4.1. Электрические цепи с резонансной характеристикой:

а – Мост Вина; б – эквивалентная схема кварцевого резонатора

Генераторы гармонических сигналов с RC-цепями, в том числе и с мостом Вина, используются в основном для генерирования сигналов в диапазоне частот от единиц герц до сотен килогерц. Для генерирования сигналов в диапазоне частот от единиц килогерц до единиц мегагерц используются генераторы с LC-контурами, а для формирования сигналов в диапазоне от десятков килогерц до десятков мегагерц и повышения стабильности их частоты используются кварцевые резонаторы, эквивалентная схема которых приведена на рис. 4.1, б.

Кварцевый резонатор имеет 2 резонансные частоты (рис. 4.1, б): частота определяет резонансную частоту последовательного контура, образованного элементами , а частота – резонансную частоту параллельного контура, образованного элементами . Кварцевый резонатор имеет добротность Q = 500100 000, а комплексное сопротивление на частоте параллельного резонанса стремится к бесконечности.

Генератор гармонических сигналов на ОУ с мостом Вина (рис. 4.2, а) состоит из неинвертирующего усилителя, в котором коэффициент усиления будет определяться сопротивлениями и : = 1 + / . Учитывая, что на резонансной частоте коэффициент передачи моста Вина

= 1/3, сопротивления и подбираются из условия обеспечения = = 3. Для удобства расчета обычно используют = = и = = . Относительная нестабильность частоты формируемого сигнала =  определяется нестабильностью характеристик элементов моста Вина:

=  = – (С/С + R/R).

Для изменения частоты формируемого сигнала чаще используют сдвоенные сопротивления и . Для повышения стабильности амплитуды формируемого сигнала в цепи обратной связи используют либо автоматическую регулировку усиления, либо нелинейные сопротивления.

C₁

C₂

Рис. 4.2. Генераторы гармонических сигналов:

а – генератор сигналов с мостом Вина; б – генератор сигналов с кварцевым резонатором

Генератор гармонических сигналов с кварцевым резонатором состоит из неинвертирующего усилителя и элемента обратной связи, реализованного на сопротивлении , и кварцевого резонатора ZQ. Коэффициент передачи элемента обратной связи на резонансной частоте будет максимален: = /[ + ]. Расчет генератора сводится к определению номиналов сопротивлений и , при которых обеспечивалось бы выполнение условия баланса амплитуд.