23039

ОПЕРАЦІЙНІ ПІДСИЛЮВАЧІ (позитивний зворотній зв’язок)

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Форма генерованої напруги може бути різноманітною: гармонічною прямокутною пилкоподібною або будьякою іншою. У підсилювачі із негативним зворотним звязком у відсутності вхідного сигналу будьяка флуктуація напруги на вході підсилена операційним підсилювачем на виході придушується ланкою негативного зворотного звязку тобто сама себе послаблює. В кінці кінців на виході встановиться напруга близька до напруги живлення додатної чи відємної в залежності від полярності початкової флуктуації. Припустимо що в момент включення на виході...

Украинкский

2013-08-04

436.5 KB

5 чел.

Лабораторна робота № 7

ОПЕРАЦІЙНІ ПІДСИЛЮВАЧІ  (позитивний зворотній зв’язок)

В цій лабораторній роботі досліджуються пристрої, в яких використовується позитивний зворотній зв’язок (ПЗЗ), наприклад, тригер і  генератор електричних коливань.

 

 Генератори – це електронні схеми, які формують змінну напругу потрібної форми. На відміну від підсилювачів, у таких пристроїв нема входу. Їх вихідний сигнал з’являється у відповідь на підключення до них джерела живлення. Форма генерованої напруги може бути різноманітною: гармонічною, прямокутною, пилкоподібною або будь-якою іншою.

Теоретичні відомості

Позитивний зворотній зв’язок тут виконує роль як збудника, так і (до відповідного способу введення і в поєднанні  з негативним зворотнім зв’язком) формувача сигналу очікуваної конфігурації.

У підсилювачі із негативним зворотним зв’язком у відсутності вхідного сигналу будь-яка флуктуація напруги на вході, підсилена операційним підсилювачем на виході, придушується ланкою негативного зворотного зв’язку, тобто сама себе послаблює.

Сконструюємо ланку позитивного зворотного зв’язку, подамо сигнал із виходу операційного підсилювача на його неінвертуючий вхід (рис.1) за допомогою резистивного дільника R1, R2.  Якщо К0·β > 1 (де  β = R1/(R1+R2) ) , то флуктуація сама себе підсилює, і амплітуда на виході зростає. В кінці кінців на виході встановиться напруга, близька до напруги живлення (додатної  чи від’ємної в залежності від полярності початкової флуктуації). Процес встановлення відбувається достатньо швидко або, як говорять, лавиноподібно (для більшості реальних інтегральних ОП – від одиниць до частки мікросекунди).

На неінвертуючому вході при цьому встановиться напруга U+, рівна U+=Uвих·β. Припустимо, що в момент включення на виході встановилася додатна напруга, близька до напруги живлення (наприклад, 12 В), а резистори дільника ланки зворотного зв’язку мають однаковий опір (наприклад, по 10 кОм). Тоді β=0,5, і U+=+6 В.

Подамо на інвертуючий вхід ОП зовнішній додатній сигнал Uc=U- і будемо його збільшувати, спостерігаючи за поведінкою вихідної напруги Uвих. Поки напруга Uc на інвертуючому менше +6 В, різниця напруг ( U+- U-) – залишається додатною, як і  Uвих, яка

зберігається близькою до напруги живлення завдяки позитивному зворотному  зв'язку. Як тільки U- перевищить величину +6 В, підсилена операційним підсилювачем диференціальна

напруга (U+- U-)  почне зменшувати напругу на виході, а ланка позитивного зворотного  зв'язку довершить лавиноподібний процес переходу Uвих в інший стабільний стан, який визначається величиною Uвих= -12 В. При цьому величина напруги на неінвертуючому вході стане рівною U+= -6 В. Подальше підвищення вхідної напруги не змінює результат на виході.

Якщо тепер почати зменшення напруги сигналу, то вихідна напруга залишається незмінною до тих пір, поки Uc , перейшовши через нуль, не перевищить за абсолютною значенням  величину –6 В, яка втримувалася на неінвертуючому вході завдяки незмінності вихідної напруги. В результаті такого перевищення вхідна диференціальна напруга (U+- U-) стане додатною, що приведе до чергового лавиноподібного переходу вихідної напруги до додатного значення порядку 12 В.

Описана вище поведінка такого пристрою з ланкою позитивного зворотного  зв'язку проілюстрована на рис.2, де стрілкою вздовж кривої показано напрямок зміни функції (вихідної напруги) при відповідній зміні аргументу (напруги сигналу). Видно, що зображена функція неоднозначна. Її величина залежить від попередньої “історії “, тобто від того, якою була напруга поданого на вхід сигналу. Говорять, що має місце гістерезис. А криву,

зображену на рис.2, називають петлею гістерезису. Наявність неоднозначності, або гістерезису, є невід’ємною рисою будь-якого пристрою, який містить ланку позитивного зворотного  зв'язку (ПЗЗ).

Ширина петлі гістерезису визначається рівнем U+ на неінвертуючому вході ОП, який, в свою чергу, залежить від величини β. Чим менше β, тим вужча петля гістерезиса.

Пристрій, який має два стабільних стани у відповідь на зміну вхідного сигналу називають тригером.  Найпростіший тригер, зображений на рис.1, має власну назву – тригер Шмідта. Такий тригер є базовим для створення багатьох інших пристроїв, використовуючих ПЗЗ – формувачів сигналів, обмежувачів, комутаторів, сигналізаторів рівня, комірок пам’яті і, нарешті, генераторів.

 Генератор коливань прямокутної форми. В цьому пристрої до тригера Шмідта додали частотно залежну ланку зворотного негативного зв’язку (рис.3). Постійна часу ланки τ = RC перевищує час лавиноподібного переходу тригера із одного стану в інший. Отже при включенні живлення початкова флуктуація завдяки дії ланки ПЗЗ лавиноподібно переводить ОП в насичення, тобто в один із стабільних станів. Припустимо цей стан відповідає додатній напрузі на виході ОП ( Uвих= +12 В). Ця напруга починає через резистор R заряджати конденсатор С таким чином, що на обкладинці конденсатора, з’єднаної з інвертуючим входом, зростає додатна напруга. Зростання продовжується до тих пір поки не перевищить значення напруги, яка встановилася на неінвертуючому вході. В цей момент схема “перекидається” і вихідна напруга лавиноподібно досягає значення Uвих= -12 В. Тепер ця напруга починає перезаряджати конденсатор від’ємним струмом до тих пір, поки напруга на інвертуючому вході ОП не досягне від’ємної величини, рівній напрузі на неінвертуючому вході ОП. Схема знову переходить в новий стан, який веде до нового процесу перезарядки конденсатора.

Таким чином, описана схема, яку називають мультивібратором, не має стабільних станів, а періодично змінює вихідну напругу від максимально додатної до максимально від’ємної і навпаки з періодом, який визначається швидкістю перезарядки конденсатора від +(β·Uвих) до -(β·Uвих) за експоненціальним законом.

Період Т послідовності прямокутного періодичного сигналу залежить від R1, R2, R і С:

T = 2RC·ln[(1+β)/(1-β)], де β = R1/(R1+R2)

Якщо R1= R2, то      T = 2RC·ln[1+(2R1/R2)] ≈ 2,2RC

Форма імпульсів на виході генератора і на конденсаторі С наведена на рис.4.

Схема генератора з незалежним регулюванням частоти повторювань імпульсів та скважності  наведена на рис.5. Потенціометром 10 кОм регулюють частоту, а потенціометром  47 кОм – скважність.

Для одержання синусоїдального сигналу з малими спотвореннями  наведена вище схема  генератора не підходить, оскільки в ній передбачається лавиноподібне наростання напруги на виході для широкого спектру гармонік. Тепер же потрібно створити умови для генерації на виході сигналу лише однієї частоти, однієї гармоніки. Іншими словами, позитивний зворотній зв’язок повинен здійснюватися лише для однієї частоти, тобто поряд з умовою К0β>1 (достатня умова для зростання сигналу на виході), потрібний нульовий (або кратний 3600)  зсув фаз φ між вихідною напругою і сигналом зворотного зв’язку тільки для цієї частоти. Найпростіший вихід із цієї ситуації – резонансний ПЗЗ. На рис.6 зображено генератор гармонічних коливань, який ще називають мостовим генератором Віна. В ланці ПЗЗ операційного підсилювача включено полосовий фільтр, нульовий зсув фаз в якому реалізується на частоті максимуму коефіцієнта передачі. Генерація, природно, буде розвиватися на цій частоті.

При включенні схеми амплітуда коливань вихідної напруги  на цій частоті починає зростати. Бажано, щоб  амплітуда синусоїдальних коливань була стабільною. Зупинити зростання амплітуди можна тільки в тому випадку, коли втрати в ланці ПЗЗ будуть точно

скомпенсованими підсиленням в ланці ЗЗ, що відповідає умові К0β = 1. Якщо в цій схемі (рис.6) опори резисторів і ємності конденсаторів взяти однаковими, то повинна точно виконуватися рівність  К0 = +3,0. Здійснити це можливо введенням негативного ЗЗ із β = 1/3. Однак, точно підтримувати К0 на заданому рівні практично неможливо хоча б внаслідок флуктуацій температури. Тому в ланку ПЗЗ вводиться нелінійний елемент (лампочка розжарювання), який автоматично підтримує потрібний коефіцієнт підсилення за рахунок того, що його опір залежить від рівня амплітуди вихідної напруги. При підвищенні рівня вихідного сигналу нитка лампи нагрівається, коефіцієнт неінвертуючого підсилення зменшується. При цьому необхідно, щоб зміна опору нелінійного елемента відбувалася дуже повільно порівняно з періодом генерованої синусоїди. В протилежному випадку швидкодіючий ЗЗ спотворить генеровану синусоїдальну хвилю, намагаючись регулювати амплітуду на протязі одного періоду. В даному випадку лампочка – достатньо інерційний елемент. Спотворення генерованого синусоїдального сигналу тим менші, чим більший час встановлення його рівноважної амплітуди.

Підбиваючи підсумки, зауважимо, що умови К0β = 1 та φ = 3600ּn (де n=0,1,2,…) повинні виконуватися незалежно від конкретної схеми генератора. Першу умову генерації називають амплітудною, другу – фазовою.

Порядок виконання роботи

  1.  Побудувати генератор прямокутних імпульсів із заданою частотою слідування імпульсів. Порівняти розрахункові величини з експериментально виміряними.
  2.  Розрахувати і зібрати генератор гармонічних коливань.

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

12459. ДОСЛІДЖЕННЯ МІКРОКЛІМАТУ В ПРИМІЩЕННЯХ 377.5 KB
  ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2 Дослідження мікроклімату в приміщеннях Мета роботи: Ознайомлення з приладами контролю метеорологічних параметрів і засобами користування ними а також придбання навичок дослідження та оцінки стану мікроклімату в приміщенні. Для...
12460. ДОСЛІДЖЕННЯ ПОВІТРООБМІНУ В ПРИМІЩЕННІ 118.5 KB
  ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 3 ДОСЛІДЖЕННЯ ПОВІТРООБМІНУ В ПРИМІЩЕННІ Мета роботи: ознайомить з методикою визначення необхідного повітрообміну в приміщенні і основними прийомами виміру витрат повітря крізь вентиляційні решітки на витяжних каналах. 3.1 Повітрообмін в...
12461. ВИЗНАЧЕННЯ АЕРОДИНАМІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ПОВІТРЯНОГО ПОТОКУ 1.34 MB
  ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4 ВИЗНАЧЕННЯ АЕРОДИНАМІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ПОВІТРЯНОГО ПОТОКУ Мета роботи: Вивчити прилади і методику роботи з ними при визначенні аеродинамічних параметрів повітряного потоку. 4.1 Теорія питання При вивченні руху газового потоку пара
12462. ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ТЕРТЯ ТА МІСЦЕВОГО ОПОРУ У ПОВІТРОВОДАХ СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦІЇ 248 KB
  ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №5 ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ТЕРТЯ ТА МІСЦЕВОГО ОПОРУ У ПОВІТРОВОДАХ СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦІЇ Мета роботи: отримати навики в проведенні експериментальних робіт по визначенню коефіцієнта опору тертя та коефіцієнта місцевого опору при русі повітря по п...
12463. Подготовка специалистов в области высокопроизводительных вычислений на базе межуниверситетской инновационной учебно-исследовательской лаборатории InterUniLab 66 KB
  Подготовка специалистов в области высокопроизводительных вычислений на базе межуниверситетской инновационной учебноисследовательской лаборатории InterUniLab А.С. Абрамова Н.А. Шехунова А.В. Бухановский Аннотация Рассматриваются особенности разработки учебномето
12464. Основы работы с программой MathCad 479 KB
  Основы работы с программой MathCad MathCad 14.0 программа помогающая выполнять различные вычисления математические операции. Спомощью нее можно узнать значение функции в конкретных точках построить график функции вычислять всевозможные формулы решать нелинейные уравн
12465. Технические каналы утечки речевой конфиденциальной информации 96.12 KB
  Цель: закрепление знаний о технических каналах утечки речевой конфиденциальной информации и выработка практических навыков работы с контрольноизмерительной аппаратурой регистрирующей акустические и виброакустические колебания в различных средах их распространения...
12466. Методологія системного аналізу і системного моделювання 48.5 KB
  Методологія системного аналізу і системного моделювання Завдання: Ознайомитися з теоретичним матеріалом. Скласти конспект за планом: поняття системи основна властивість системи; найважливіші характеристики системи визначення; зміст і резул
12467. Прямі методи розв’язання систем лінійних алгебраїчних рівнянь. Метод Гаусса та LU-розкладу 56.5 KB
  Лабораторна робота №1 Прямі методи розвязання систем лінійних алгебраїчних рівнянь. Метод Гаусса та LUрозкладу. Мета роботи: ознайомитися з методами розв‘язання систем лінійних алгебраїчних рівнянь. Розглянути особливості реалізації прямих методів розв‘язання ...