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

67675. Изучение станка качалки привода штанговой глубинной насосной установки 646.55 KB
  В начале нашего века произошли коренные изменения в нефтепереработке. Быстрое распространение карбюраторных бензиновых двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием для автомобилей (а позже в авиации) потребовало огромного количества топлива.
67676. Завод по производству стальных пространственных конструкций 232 KB
  Эта жизненная среда называемая архитектурой воплощается в зданиях имеющих внутреннее пространство комплексах зданий и сооружений организующих наружное пространство улицы площади и города. В современном понимании архитектура это искусство проектировать и строить здания сооружения и их комплексы.
67677. Сталь 40ХНМА и прочая полезная информация 1.66 MB
  При выборе термической обработки необходимо представлять себе сущность изменений, происходящих в стали при этой обработке. Для этого необходимо знать основные положения металловедения, в частности строение стали и механизм протекания фазовых превращений.
67678. Разработка считывателя системы контроля за персоналом на основе микроконтроллера AVR 494.5 KB
  На основании анализа функциональной спецификации можно выделить следующие блоки которые необходимо реализовать аппаратным способом: Входы: модуль контактного устройства модуль связи с компьютером модуль часов Выходы: модуль светодиодных индикаторов модуль переноса данных Функции: модуль защиты...
67681. Проект отделения ремонта двигателей на обслуживание 459 автомобилей ГАЗ-33075 569.5 KB
  Основной объём работ по ЕО приходится на УМР. Рабочий пост предназначен для выполнения основных работ по ТО и ТР автомобилей и представляет собой участок пола здания производственное площади для постановки автомобилей и размещения одного или нескольких рабочих мест.
67683. Проект устройства управления стиральной машины 380 KB
  На основании анализа функциональной спецификации можно выделить следующие блоки которые необходимо реализовать аппаратным способом: ВХОДЫ: модуль датчика температуры; модуль переключателя режимов; модуль датчика уровня воды; ВЫХОДЫ: модуль управления двигателем; модуль управления насосом...