41721

ДИОДНЫЕ ОГРАНИЧИТЕЛИ И ФИКСАТОРЫ УРОВНЯ

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

В зависимости от схемы включения и режима работы нелинейного элемента ограничителя различают 3 вида ограничения: по максимуму ограничение сверху –рис.5 Диод ограничителя включается между входом и выходом схемы последовательно с нагрузкой. Если напряжение входного сигнала Uвх меньше напряжения смещения Е диод работает на обратной ветви характеристики где его внутреннее сопротивление велико и разделяет вход схемы от выхода. Форма напряжений на входе и выходе схемы иллюстрируется на рис.

Русский

2013-10-24

340.36 KB

79 чел.

Министерство высшего и среднего специального образования России

Московское высшее техническое училище им. Н.Э. Баумана

             Машиностроительный факультет

                      Кафедра М-5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

по курсу “Микроэлектроника”

“ДИОДНЫЕ ОГРАНИЧИТЕЛИ И ФИКСАТОРЫ УРОВНЯ”

Москва                                                                                                             1976 г.

Введение.

  Ограничители  и  фиксаторы уровня являются схемами с нелинейными элементами (электронными лампами, полупроводниковыми диодами, транзисторами) и широко используются в импульсных устройствах для преобразования формы и параметров импульсов.

I. Ограничители.

  Ограничителем называется устройство, напряжение на выходе которого остается постоянным независимо от напряжения на входе, если входное напряжение превышает определенный уровень, называемый порогом ограничения.

  Ограничители находят применение в импульсных устройствах для формирования из синусоидального напряжения импульсов (селекции) по амплитуде и полярности, выравнивания амплитуд и сглаживания вершин импульсов, уменьшения длительностей фронтов импульсов и многих других целей.

  В зависимости от схемы включения и режима работы нелинейного элемента ограничителя различают 3 вида ограничения:

  1. по максимуму (ограничение сверху) –рис. 1.

рис.1

  1. по минимуму (ограничение снизу) –рис. 2.

рис.2

3) двустороннее, при котором происходит ограничение и по минимуму и по максимуму –рис. 3.

рис.3

  Действие диодных ограничителей основано на использовании нелинейных свойств диода. В схемах ограничителей могут применяться как вакуумные, так и полупроводниковые диоды. Последние имеют большие преимущества в экономичности, надежности, размерах и весе по сравнению с вакуумными диодами и могут заменять их в большинстве схем.

  По характеру включения диода относительно нагрузки различают последовательные и параллельные диодные ограничители.

Последовательные диодные ограничители.

Одна из вакуумных схем диодного ограничителя приведена на рис. 4.

рис.4

рис.5

  Диод ограничителя включается между входом и выходом схемы, последовательно с нагрузкой. На катод диода подано напряжение смещения Е. Очевидно, что диод будет работать на прямой ветви характеристики, если напряжение на его аноде больше напряжения на катоде, то есть когда Uвх˃ Е. Тогда сигнал через открытый диод переходит на выход не меняя своей формы.

  Если напряжение входного сигнала Uвх меньше напряжения смещения Е, диод работает на обратной ветви характеристики, где его внутреннее сопротивление велико и разделяет вход схемы от выхода. При этом к выходным клеммам через сопротивление R приложено напряжение смещения Е. Форма напряжений на входе и выходе схемы иллюстрируется на рис. 5.

  Если принять вольт-амперную характеристику диода линейной как в области прямых, так и обратных токов, то, используя метод наложения, можно выходное напряжение любой схемы последовательного диодного ограничителя записать так:

                 (I)

  Здесь -внутренне сопротивление диода, величина которого определяется состоянием диода.

  Первое слагаемое уравнения (I) представляет собой переменную, а второе-постоянную составляющую выходного напряжения.

  Формула (I) показывает, что четкость ограничения, то есть поддержания на выходе напряжения, равного напряжению смещения или входному, определяется соотношениями сопротивленийи R.

   При обработке импульсов с крутыми фронтами нужно учитывать переходные характеристики схемы. Рассмотрим ограничитель снизу с нулевым порогом ограничения (рис. 6):

рис.6

рис.7

   При формировании отрицательного напряжения (рис. 7) в момент  диод запирается. Из-за наличия емкостей  и  сначала происходит скачок  величиной :

                                (2)

а потом разряд общей емкости  через сопротивление R  с постоянной времени:

                                            (3)

  При формировании положительного периода в момент  диод включается и своим сопротивлением шунтирует сопротивление R. Напряжение на выходе при этом быстро нарастает с постоянной времени:

                               (4)

  Следовательно, при использовании диодного последовательного ограничителя фронты импульса получаются неодинаковыми.

Параллельные диодные ограничители.

  В данном типе ограничителя (рис. 8) диод включается параллельно нагрузке, а резистор- последовательно.

рис.8

рис.9

  Если диод Д закрыт, что соответствует случаю Uвх< Е, то входное напряжение поступает на вход без изменения формы. Если Uвх> Е, диод Д открыт и подключает выход к источнику смещения, при этом напряжение на выходе остается постоянным и равным Е (см. рис. 9).

  Выходное напряжение может быть подсчитано по следующей формуле

            (5)

Здесь – сопротивление диода, зависящее от его состояния.

  Четкость ограничения согласно (5) зависит от соотношения сопротивлений R и. Ввиду того,  что диод не может полностью шунтировать выход,  т.к. его прямое сопротивление не равно нулю, схема параллельного ограничителя не дает четкого ограничения.

  Переходные процессы в таком ограничителе рассмотрим на примере схемы рис.10

         R

     

     Uвх              Uвых                    

                             Cд      Со                 

           

                                  

рис.10

  При формировании в момент  отрицательного периода диод запирается и емкости  (Cд + Co) заряжаются через сопротивление R до напряжения U1 с постоянной времени =R (Cд + Co).

  При формировании положительного фронта емкости (Cд + Co) стремиться перезарядиться от  U1  до  U2   c постоянной = R (Cд + Co) но как только напряжение на них превысит нулевой уровень, отпирается диод. Таким образом, при одинаковых постоянных времени получается различная длительность положительного и отрицательного фронтов.

Двусторонние диодные ограничители.

   Двустороннее ограничение получается последовательным включением двух отдельных ограничителей.

II. Фиксаторы уровня.

  Схемы фиксации начального уровня импульсных сигналов (или  схемы восстановления постоянной составляющей сигнала) применяют  в импульсных устройствах потому, что разделительные конденсаторы и трансформаторы схем не пропускают постоянного напряжения или тока.

  Фиксаторы уровня используют нелинейные элементы - обычно вакуумные или полупроводниковые диоды. Одна их схем фиксаторов уровня показана на рис.11

рис.11

рис.12

Переходная дифференцирующая цепь RC имеет большую постоянную времени и конденсатор С удерживает заряд в течение нескольких периодов повторения входных импульсов.

  Отрицательный входной сигнал запирает диод Д, и сигнал

проходит к выходным зажимам схемы. В момент времени t1 при переходе сигнала к положительной полярности диод Д открывается, замыкая накоротко выход схемы. При этом емкость С быстро заряжается через сопротивление открытого диода до напряжения, равного амплитуде входного сигнала и сохраняет заряд в период (t1, t2)      действия положительного сигнала.

  В момент t2 входное напряжение падает, а напряжение на емкости ввиду большой постоянной времени разряда RC остается постоянным. Поэтому на выходе сигнал уменьшается на величину размаха сигнала. В момент t3 диод снова открывается и выходное напряжение возвращается к нулевому уровню.

   Таким образом, на аноде фиксатора уровня сохраняется форма входного напряжения, но выходное напряжение изменяется от нулевого уровня только в одну сторону. Происходит фиксация верхнего уровня сигнала, а его постоянная составляющая смещается от нулевого уровня, чем и осуществляется ее восстановление. Переменная составляющая сигнала должна воспроизводиться на выходе с минимальными искажениями и неизменной амплитудой напряжения.

Макет лабораторной работы «Диодные ограничители и фиксаторы уровня».

  Схема макета приведена на рис.13 и состоит из блока питания схем параллельного, последовательного и двухстороннего ограничителя и фиксатора уровня. Конструктивно макет выполнен в виде панели, на которую выведены ручки управления, вольтметры блока питания и индикаторной лампы включения макета. На коробчатом шасси, расположенном под панелью, смонтирован блок питания макета.

  Схемы последовательного и параллельного ограничителя образуются из одних и тех же элементов путем коммутации входа и выхода. Для иллюстрации работы схем с разными параметрами элементов, в схему ограничителя введены дополнительные элементы. Последовательно с диодом включено сопротивление  , изменяя величину которого, можно имитировать изменение прямого сопротивления диодного элемента. Для изучения влияния обратного сопротивления диода на процесс ограничения, диод зашунтирован сопротивлением  , изменение которого имитирует изменение величины обратного сопротивления диода. Сопротивление R в цепи ограничителя тоже может изменяться.

Напряжение смещения на схемы подается от отдельного источника я может регулироваться в пределах от - 5 до + 5 вольт.

  При работе с двухстороннем ограничителем, используются два независимых источника смещения.

  Различная полярность подключения диодных элементов осуществляется тумблерами на передней панели макета. Подключение исследуемых схем ко входным и выходным клеммам осуществляется переключателем рода работ. На передней панели помещена схема исследуемых ограничителей.

Приборы для выполнения работы.

1.Макет лабораторной работы.

2. Осциллограф типа СI-72.

3. Звуковой генератор типа  Г3-36А.

Порядок выполнения работы.

1. Ознакомиться с устройством и назначением органов управления осциллографом  СI-72 (см. приложение).

Установить органы управления осциллографом в следующие положения:

Ручки  (яркость) ,  (фокусировка) , «» , «», «УРОВЕНЬ» - в среднее положение;

«СТАБИЛЬНОСТЬ» - на регулировке;

переключатель «ВОЛЬТ/ДЕЛЕН.» -  положение 1;

переключатель «ВРЕМЯ/ДЕЛЕН.» -  положение 1;

переключатель полярности синхронизации - в положение «»;

переключатель синхронизации- в положение «»;

переключатель «ВХОД Х» - в выключенном положении;

Включить осциллограф в сеть и дать ему прогреться.

Получив на экране светящуюся линию, убедиться в сохранности балансировки силителя канала вертикального клонения осциллографа.

2. Подключить выход звукового генератора ко входу макета и включить генератор в сеть. После нагрева генератора подать на вход макета напряжение 4 В с частотой 10 кГц.

3. Включить макет в сеть. К выходным клеммам макета подключить «ВХОД У» осциллографа.

I. Исследовать работу схемы последовательного диодного ограничителя.

  Поставить переключатель рода работ макета в положение «ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ».

  Изменяя напряжение смещения  Е1 , получить на экране  осциллографа сигнал в виде срезанной синусоиды.

  1. Исследовать характер ограничения сигнала при различных положениях диода Д1.
  2. Отметить величину напряжения смещения при неискаженном сигнале;ограничении сигнала по нулевому уровню и полном ограничении.
  3. Исследовать и зарисовать изменение формы сигнала при различных величинах Rпр и Rобр диода и сопротивления R и различном включении диода. Объяснить изменение формы и амплитуды выходного сигнала. Установить  Rпр , Rобр и R в положения, где происходит наилучшее ограничение.
  4. Определить примерную длительность фронтов импульса на входе схемы, используя прямоугольный сигнал с генератора. Для этого, соединив выход «X 1» генератора с осциллографом, получить на экране картину прямоугольного импульса. Установив переключатель входного аттенюатора в положение «2В/ДЕЛ.», замерить длительность фронтов положительного и отрицательного перепада tпередн. вх и tзадн вх напряжения на входе схемы.

Подать прямоугольный сигнал с генератора на вход схемы. Установив порог ограничения Е=0, замерить длительность фронтов выходного импульса tпередн. вых и tзадн. вых.

Пользуясь формулой    , определить длительность ty времени установления схемы последовательного ограничителя для переднего и заднего фронтов.

II. Исследовать работу схемы параллельного диодного ограничителя.

Поставить переключатель рода работ макета в положение

«ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ». Подать синусоидальный сигнал

величиной 3 + 5 В от звукового генератора на вход макета. Изменяя напряжение смещения E1, получить на экране осциллографа сигнал в виде срезанной синусоида.

  1.  Исследовать и зарисовать изменение формы сигнала при различных величинах  Rпр.  и  R обр. диода, сопротивления  R  при различном - включении диода Д1 . Объяснить изменение формы и амплитуды выходного сигнала.

Установить Rпр. , Rобр. и R  в положения, где происходит наилучшее ограничение.

  1.  Определить примерную длительность фронтов импульса схемы.

Длительность положительного и отрицательного перепада замерить для схемы с напряжением смещения Е1 = 0 ( Порядок работ при измерении такой же, как и .для схемы последовательного ограничителя ).

  1.   Сравнить четкость ограничения и длительность фронтов импульсов для исследуемых схем последовательного и параллельного ограничителе и сделать заключение о работе схем.

III. Исследование схемы двухстороннего ограничителя.

Переключатель рода работ на макете поставить в положение "ДВУХСТОРОННИЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ".

Подать на вход макета синусоидальное напряжение от звукового генератора амплитудой 3 - 10 В.

Дли четырех возможны положении включения диодов Д0 и Д3 , симметричного ограничения, (выявить пределы влияния изменений напряжений Е1 и Е2 на характер ограничения. Найти полярности

включения диодов Д2 и Д3 душ получения симметричного ограничения. Установить знаки и соотношения между величинами смещения Е1 и Е2 при симметричном ограничении.

Исследование работы фиксатора уровня.

1. Поставить переключатель рода работ макета в положение "ФИКСАТОР   УРОВНЯ".

На вход макета подать напряжение от звукового генератора. Частота 10 кГц; величина сигнала 2 - 3 В, напряжение Е2 = 0.

2. Определить величину сдвига постоянной составляющей выходного напряжения для 2-х включений диода Д4.

3. Исследовать влияние включения диода и величины смешения

R2 на сдвиг нулевого уровня выходного сигнала.

ФОРМА И СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет по лабораторной работе должен содержать принципиальные схемы ограничителей и фиксатора уровня, формы сигналов на выходе, расчет длительности фронтов и заключение о свойстве ограничителя.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

39242. Предварительный расчет радиовещательного приемника с магнитной антенной ДВ, СВ диапазонов 2.44 MB
  Выбор промежуточной частоты . Выбор транзисторов трактов радио – и промежуточной частоты стр. Выбор избирательной системы тракта радиочастоты . Выбор избирательной системы тракта промежуточной частоты .
39243. Типовое рабочее место монтажника радиоаппаратуры и устройств в критериях единичного мелкосерийного производства 206.5 KB
  Тема данной производственной практики актуальна на сегодняшний день, потому что для более эффективного функционирования предприятия необходимо знание, изучение структурных подразделений предприятия. Цель производственной практики - глубокий анализ предприятия и его подразделений. Главная задача данной работы - изучить, исследовать тот или иной тип структуры, более подробно рассмотреть механизм его функционирования на практике.