Основы электроники

Исследование генератора аналоговых сигналов

1. Цель работы.

Целью настоящей работы является изучение одного из вариантов исполнения электрических схем генераторов сигналов специальной формы.

2. Основные теоретические положения.

2.1. Принцип действия генераторов электрических сигналов основан на использовании явления положительной обратной связи, охватывающей усилительные каскады (рис. 1).

рис. 1.

Причем, для возникновения генерации необходимо, чтобы коэффициент усиления каскада К — превышал  некоторое критическое значение , что при использовании современной элементной базы не является проблемой.

Форма сигнала, вырабатываемого генератором, зависит от вида цепи положительной обратной связи. Если в качестве элемента цепи обратной связи использовать полосовой фильтр высокой добротности, то генератор будет вырабатывать сигнал синусоидальной формы определенной частоты. Такие устройства носят название генераторов гармонических сигналов.

К другому классу генераторов относятся т.н. генераторы сигналов специальной формы, вырабатывающие сигналы прямоугольной, треугольной, пилообразной и т.д. формы.

Схемные реализации упомянутых генераторов весьма многочисленны. Остановимся на одной из них.

2.2. На рис. 2 представлена схема генератора сигнала прямоугольной формы. Такие генераторы также называют мульивибраторами.

рис. 2.

Представленный генератор представляет собой операционный усилитель ОУ — ДА, охваченный положительной обратной связью через цепь R2 — R3. С другой стороны, эту схему можно охарактеризовать исходя из того, что ОУ — ДА с резисторами R2 — R3 представляют регенеративный  компаратор,  так  называемый  триггер  Шмидта,  охваченный  ООС  по  цепи R1 — C.

Эпюры напряжений, поясняющие работу генератора, представлена на рис. 3.

рис. 3.

Рассмотрим работу генератора.

2.2.1. При включении питания в силу действия положительной обратной связи в схеме происходит лавинообразный процесс, в результате которого напряжение на выходе ОУ устанавливается на уровне напряжения насыщения положительной или отрицательной полярности. Пусть, например, в момент времени t=0 установилось напряжение +Uнас .

2.2.2. С этого момента времени начинается заряд конденсатора С по цепи: (+Uп1) — (выход ДА) — (R1) — (С) — (“корпус” — ).

Напряжение на конденсаторе Uc растет по экспоненте, стремясь к величине +Uнас (участок t0 — t1 на рис. 3).

2.2.3. На этом отрезке времени на входе “Р” ОУ действует положительное напряжение U0 , определяемое соотношением:

U0 = Uнас R3 / (R2 + R3)         ,                                                   (1)

Как только возрастающее напряжение на конденсаторе Uc достигнет этого значения, произойдет лавинообразный процесс, приводящий к “опрокидыванию” мультивибратора и установлению на его выходе напряжения -Uнас — момент времени t1 .

2.2.4. С этого момента происходит перезаряд конденсатора С по цепи: (“корпус” —  ) —  (С) — (R1) — (выход ДА) — (-Uп2). Напряжение, меняя свой знак, изменяется по экспоненциальному закону, стремясь к напряжению -Uнас (участок t1 — t2).

2.2.5. На этом отрезке времени на входе “Р” ОУ действует уже отрицательное напряжение U0 , определяемое соотношением (1). Как только напряжение на конденсаторе достигнет этого значения, произойдет очередное “опрокидывание” мультивибратора и на его выходе устанавливается напряжение +Uнас (момент t2).

2.2.6. С этого момента времени происходит перезаряд конденсатора С по цепи, писанной в п. 2.2.2. Описанные в п.п. 2.2.2. — 2.2.4. процессы повторяются, т.е. в генераторе устанавливается периодический процесс, формирующий на его выходе разнополярное напряжение прямоугольной формы с амплитудой:

Um = Uнас                    ,                                                          (2)

2.2.7. Поскольку процесс перезаряда конденсатора одной и другой полярности происходит по цепям, содержащим идентичные элементы, интервалы времени:

                                                                                    (3)

и определяются постоянной времени:

                                                                        (4)

Исходя  из вышеприведенных соображений, легко получить соотношение для определения временных параметров выходного сигнала

                                                                          (5)

                                                   (6)

2.2.8. Отметим также то, что регулировку частоты выходного сигнала можно производить изменением значений элементов, входящих в цепь заряда-разряда конденсатора С, т.е. изменением сопротивления резистора R1 и (или) изменением емкости конденсатора С.

2.2.9.   Как видно из эпюр на рис.3, напряжение на конденсаторе Uc  имеет форму, близкую к форме треугольного сигнала, с той лишь разницей, что фронты этого сигнала не линейны, а экспоненциальны.

3. Описание объекта и средств исследования.

Электрическая схема исследуемого генератора представлена на рис. 4.

3.1. На микросхеме К1402Д8А собран генератор прямоугольных импульсов, частота  выходного  сигнала  которого  регулируется  переменным  резистором  R4 = 3.3 кОм.

Остальные параметры элементов схемы:

C1 = 1 мкФ ; R6 = 1 кОм ; R7 = 100 кОм ; R8 = 3.9 кОм.

Напряжение треугольной формы снимается с конденсатора С1 и через регулятор уровня на переменном резисторе R1 подается на каскад усиления, собранный на микросхеме К140УД8А.

Данные резисторов каскада:

R2 = R3 = 680 Ом ; R4 = 10 кОм.

Усиленный сигнал треугольной формы подается для наблюдения на контрольную точку, обозначенную символом “Вх2”.

3.3. Получение сигнала синусоидальной формы в данном генераторе осуществляется путем двухстороннего ограничения сигнала треугольной формы. Это ограничение выполняется в блоке двухстороннего ограничения, собранном на полупроводниковых диодах, рассмотрение схемы которого не входит в задачу данной лабораторной работы.

Получаемая с помощью этой операции “синусоида”, как можно в этом убедиться, экспериментально весьма далека от идеальной и могла бы быть использована лишь в аппаратуре низкого класса.

3.4. В этой схеме сигнал треугольной формы постоянно подключен к контрольной точке “Вх2”, “синусоида” и прямоугольный сигнал подключаются к контрольной точке “Вх1” через кнопку SA1 (“ВсВ / ВнК”) , расположенную на блоке К32 в поле надписи “коммуникатор” над гнездами “Вход 1”.

4. Порядок выполнения работы.

4.1. Расчетная часть.

4.1.1. Пользуясь значениями параметров схемы генератора из п. 3.1. и формулами (3) - (6) рассчитать период следования и частоту выходного сигнала генератора:

     ;                 .

4.1.2. Исходя из условия, что напряжение насыщения на выходе операционного усилителя на (2 - 3) В меньше напряжения питания, определить ожидаемую амплитуду Um прямоугольных импульсов на выходе генератора (формула 2).

4.1.3. Исходя  из  эпюр сигналов на генераторе (рис. 3) и параметров элементов схемы и п. 3.2., рассчитать амплитуду импульсов треугольной формы на выходе генератора (“Вх2”) (при этом движок потенциометра Р1 должен находиться в крайнем верхнем положении).

4.1.4. Результаты расчетов по п.4.1. свести в таблицу 1.

4.2. Экспериментальная часть.

4.2.1. Убедиться в том, что кнопка “ВсВ / ВнК” под подписью “КВУ” и аналогичная правая кнопка в поле надписи “Коммутатор” — отжаты. Установить потенциометр R4.

4.2.2. Наблюдая сигнал прямоугольной формы на выходе генератора, определить его параметры и полученные данные занести в таблицу 1. Повторить измерение периода следования Т для другого положения потенциометра R4, установленного лаборантом или преподавателем.

4.2.3. Наблюдая сигнал треугольной формы на выходе генератора, определить его параметры и данные записать в таблицу 1.

4.2.4. Зарисовать эпюры сигналов п.п. 4.2.2. и 4.2.3. в едином масштабе времени, с учетом изменения фазы каскадом на ДА2.

4.2.5. Проверить и зарисовать эпюру сигнала синусоидальной формы на выходе генератора и определить его амплитуду.

Таблица 1.