6799

Импульсные схемы на операционных усилителях

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Импульсные схемы на операционных усилителях Цель работы - изучение принципа работы компаратора и триггера Шмитта на операционном усилителе исследование и определение параметров схем мультивибратора, одновибратора и генератора треугольных импульсов...

Русский

2013-01-08

123.5 KB

184 чел.

Импульсные схемы на операционных усилителях

Цель работы - изучение принципа работы компаратора и триггера Шмитта на операционном усилителе; исследование и определение параметров схем мультивибратора, одновибратора и генератора треугольных импульсов на основе операционного усилителя.

7.1 Основные положения

Операционные усилители (ОУ) широко используются во многих устройствах импульсной и цифровой техники. Их применение обусловлено возможностью получения более высоких качественных параметров устройств по сравнению со схемами на транзисторах. В данной работе рассматриваются простейшие типовые включения операционного усилителя в импульсных схемах.

7.1.1 Компаратор и триггер Шмитта на ОУ

Компаратором называется устройство, предназначенное для сравнения мгновенных значений двух аналоговых сигналов напряжений. Компаратор изменяет полярность выходного напряжения, когда уровни непрерывно изменяющихся входных сигналов становятся равными. Использование ОУ в качестве компараторов обусловлено их большим коэффициентом усиления. Так, при КОУ=104 уже при разности сравниваемых напряжений
±1 мВ на выходе ОУ будет выходное напряжение ±10 В, т.е. переключение компаратора из одного насыщенного состояния в другое определяется коэффициентом усиления ОУ.

На рис.7.1 изображена схема простейшего компаратора на ОУ для сравнения напряжений одного знака и его передаточная характеристика. При Е1 < Е2 напряжение на выходе ОУ положительно Uвых, при Е1 > Е2 – отрицательно Uвых.

Рисунок 7.1 - Схема компаратора для сравнения напряжения одного знака (а)
и его передаточная характеристика (б)

Переключение компаратора из одного уровня в другой после сравнения сигналов происходит не мгновенно, а с некоторым запаздыванием, определяемым временем нарастания выходного сигнала и зависит от частотных характеристик ОУ. Компараторы выпускаются в виде специальных микросхем, которые отличаются от обычных ОУ работой в нелинейном режиме с меньшими фронтами переключения и повышенной точностью сравнения входных сигналов.

Наряду с простейшей схемой компаратора находит широкое применение схема компаратора с цепью положительной обратной связи. Триггером Шмитта на ОУ называется схема компаратора с положительной обратной связью и имеющая гистерезисную передаточную характеристику, в которой уровни переключения не совпадают с условием обычного компаратора (Е1=Е2). Наличие положительной обратной связи позволяет сократить время переключения компаратора, а также расширяет его функциональные возможности. На рис.7.2 приведена схема и передаточная характеристика инвертирующего триггера Шмитта.

Рисунок 7.2 - Схема (а) и передаточная характеристика (б)
инвертирующего триггера Шмитта

Входной сигнал подается на инвертирующий вход ОУ, а цепь положительной обратной связи подается с делителя R1 и R2 на неинвертирующий вход ОУ. На рис.7.2,б построена передаточная характеристика, которая объясняет работу данного устройства при реакции на входной сигнал Uвх. Если к инвертирующему входу ОУ приложено достаточно большое отрицательное напряжение Uвх, то выходное напряжение триггера Шмитта равно Uвых. При этом напряжение на неинвертирующем входе ОУ равно напряжению срабатывания

.

(7.1)

При повышении входного напряжения Uвх величина выходного напряжения вначале не меняется. Однако, в момент, когда Uвх=Uср выходное напряжение за счет действия положительной обратной связи изменяется скачком до , а напряжение на неинвертирующем входе до напряжения отпускания

.

(7.2)

При дальнейшем увеличении Uвх выходное напряжение не изменяется. Если теперь уменьшить Uвх, то выходное напряжение изменится скачком при Uвх=Uот до значения . Гистерезис передаточной характеристики определяется соотношением сопротивлений резисторов R1 и R2.

На рис.7.3 приведена схема и передаточная характеристика неинвертирующего триггера Шмитта на ОУ. В отличие от схемы инвертирующего триггера Шмитта в данной схеме входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ через резистор R1, а положительная обратная связь осуществляется через резистор R2.

Рисунок 7.3 - Схема (а) и передаточная характеристика (б)
неинвертирующего триггера Шмитта

Работу данного триггера можно пояснить с помощью передаточной характеристики (рис.7.3,б). При приложении ко входу этой схемы большого положительного напряжения Uвхвыходное напряжение триггера равно . На неинвертирующем входе ОУ в точке А осуществляется сравнение двух токов – входного тока I1 и тока цепи обратной связи I2 (рис.7.3,а). В момент равенства I1 = I2 вступает в действие положительная обратная связь, и триггер переходит в противоположное устойчивое состояние с выходным напряжением . Такой момент наступает при отрицательном значении напряжения срабатывания на входе ОУ. Его величину можно определить, приравняв потенциал точки А нулю для случая идеального ОУ. Тогда получаем и выражение для напряжения срабатывания триггера

.

(7.3)

Аналогично можно показать, что при смене полярности входного сигнала напряжение отпускания триггера будет равно

.

(7.4)

Схемы триггера Шмитта на ОУ широко используются для формирования прямоугольных импульсов из периодических синусоидальных сигналов, а также являются основой различных импульсных генераторов. Ниже рассматриваются три типовые схемы включения ОУ для формирования импульсных сигналов.

7.1.2 Мультивибратор на ОУ

Мультивибратором называется генератор прямоугольных импульсов, принцип работы которого основан на периодическом заряде и разряде конденсатора. Такой процесс называют релаксационным. Схемы мультивибраторов разнообразны и по элементной базе и по способам построения.

На рис.7.4,а приведена типовая схема мультивибратора на ОУ, выполненного на основе инвертирующего триггера Шмитта.

Рисунок 7.4 - Схема (а) и временные диаграммы (б) мультивибратора на ОУ

Схема мультивибратора имеет положительную обратную связь по неинвертирующему входу через делитель R2 и R3 и отрицательную обратную связь по инвертирующему входу через цепочку R1C.

Автоколебательный режим работы мультивибратора создается благодаря наличию времязадающей цепи R1C, которая определяет существования в схеме двух временно устойчивых состояний Рассмотрим работу мультивибратора по временным диаграммам рис.7.4,б. Пусть напряжение на выходе ОУ равно . При этом на неинвертирующем входе ОУ устанавливается напряжение обратной связи Uoc, равное напряжению срабатывания триггера Шмитта , где . Наличие на выходе ОУ положительного напряжения  обуславливает процесс заряда конденсатора С через резистор R1 соответствующей полярности. В момент, когда экспоненциально изменяющееся напряжение на инвертирующем входе ОУ достигает напряжения  на неинвертирующем входе, т.е. порога срабатывания триггера , схема переключается и ее выходное напряжение скачком принимает отрицательное значение . С момента t1 начинается перезаряд конденсатора и потенциал на инвертирующем входе ОУ начинает изменяться в противоположную сторону, пока не достигает другого порогового значения . Схема переключается в первоначальное состояние и т.д.

Данная схема генерирует двухполярные прямоугольные импульсы, у которых длительность импульса tu и длительность паузы tп равны, т.е. скважность импульса равна двум. Это можно объяснить из временных диаграмм при условии, что . Период следования импульсов определяется из соотношения [1]

.

(7.5)

7.1.3 Одновибратор на ОУ

Одновибратор предназначен для формирования прямоугольного импульса требуемой длительности при подаче на его вход короткого запускающего импульса. Схема одновибратора построена на основе рассмотренной схемы мультивибратора, в которой имеется два временно устойчивых состояния. Однако, в отличие от мультивибратора, одно состояние является устойчивым, а другое состояние – временно устойчивым. Одновибратор называют часто ждущим мультивибратором. Устойчивое состояние схемы характеризует исходный режим работы одновибратора. Неустойчивое состояние наступает с приходом входного запускающего импульса.

На рис.7.5 приведена простейшая схема одновибратора на одном ОУ и временные диаграммы его работы.

Рисунок 7.5 - Схема (а) и временные диаграммы (б) одновибратора на ОУ

В схеме одновибратора для создания ждущего режима работы параллельно конденсатору С1 включен диод VD (рис.7.5,а).

В исходном состоянии напряжение на выходе одновибратора равно , что определяет напряжение на неинвертирующем входе ОУ, равным , где . Напряжение на инвертирующем входе равно падению напряжения на открытом диоде, т.е. близко к нулю (рис.7.5,б).

В момент времени t1 на вход одновибратора поступает короткий положительный импульс с амплитудой . При этом условии триггер Шмитта скачком переходит в противоположное состояние , а на неинвертирующем входе устанавливается напряжение . Положительное выходное напряжение ОУ запирает диод и конденсатор С1 начинает заряжаться через резистор R1. В момент t2, когда , происходит обратное переключение триггера Шмитта. С этого момента начинается этап восстановления одновибратора в исходное состояние, в течение которого конденсатор С1 разряжается через резистор R1. В момент, когда напряжение на конденсаторе Uc становится примерно равным нулю, открывается диод VD и дальнейшего изменения Uc не происходит. Длительность импульса одновибратора [1]

.

(7.6)

Время восстановления одновибратора

.

(7.7)

Через время tв одновибратор готов к приему следующего импульса.

7.1.4 Генератор треугольных импульсов на ОУ

На рис.7.6,а приведена схема генератора импульсов на двух операционных усилителях. Схема состоит из интегратора DA1 и неинвертирующего триггера Шмитта DA2. На выходе DA1 формируется треугольное напряжение U1, а на выходе DA2 - прямоугольные двухполярные импульсы U2 (рис.7.6,б).

Рисунок 7.6 - Схема (а) и временные диаграммы (б)
генератора треугольных импульсов на ОУ

Выходной сигнал триггера Шмитта, который принимает одно из двух возможных состояний с уровнем выходного напряжения  или , передается на вход интегратора через резистор R1. Так как уровни напряжений триггера Шмитта постоянны, то на выходе интегратора будет линейно изменяться в соответствующем направлении напряжение, которое в свою очередь поступает на вход триггера и вызывает его переключение. В соответствии с п.7.1.1 пороги срабатывания Uср и отпускания Uот триггера определяются соотношением резисторов R2 и R3 в данной схеме.

Работу генератора можно пояснить с помощью временных диаграмм рис.7.6,б. Пусть на выходе триггера Шмитта установилось положительное напряжение . Этот сигнал поступает на интегратор и приводит к снижению его напряжения U1 в отрицательную область с постоянной времени R1C. В момент t1 напряжение на выходе интегратора сравнивается с напряжением срабатывания триггера  и триггер переходит в противоположное состояние с выходным напряжением . В интервале
t1t2 напряжение на выходе интегратора линейно нарастает в противоположную сторону, пока не достигнет порога отпускания . Далее процессы периодически повторяются. За счет действия положительной обратной связи в триггере Шмитта переключение его имеет лавинообразный характер, что определяет хорошую форму прямоугольных импульсов.

Период выходных импульсов генератора определяется из соотношения [7]

,

(7.8)

а амплитуда треугольных импульсов равна порогам переключения триггера Шмитта

.

(7.9)

При допущении  генератор формирует симметричные импульсы со скважиной равной двум.

7.2 Описание схем эксперимента

В работе исследуются некоторые импульсные схемы на операционных усилителях (ОУ), общим для которых является применение компаратора.

На рис.7.7,а приведена схема компаратора на ОУ. Входные сигналы Е1 и Е2 подаются на входы ОУ через резисторы R1 и R2. При замыкании ключа S1 обычный компаратор преобразуется в триггер Шмитта.

На рис.7.7,б приведена схема мультивибратора на ОУ, в которой частоту генерируемых импульсов можно изменять путем увеличения емкости времязадающего конденсатора (ключ S2 замкнут). При замыкании ключа S3 мультивибратор преобразуется в одновибратор. Входные импульсы подаются на одновибратор от источника Ег.

Рисунок 7.7 - Схема компаратора (а): R1=R2=20 кОм, R3=62 кОм; мультивибратора (б): R1=10 кОм, R2=1 кОм, R3= 3 кОм, С1=С2=0,047 мкФ; и генератора треугольного
напряжения (в)
R1=R3=16 кОм, R2=10 кОм, С1=С2=0,022 мкФ на ОУ

На рис.7.7,в приведена схема генератора треугольных импульсов, в которой ключ S4 служит для изменения емкости конденсатора интегратора.

Приведенные схемы имеют такое же изображение на накладной панели стенда с указанием номеров контрольных точек.

7.3 Порядок выполнения работы

Перед началом экспериментов подготовьте стенд к работе в соответствии с указаниями данной инструкции. Обратите внимание на использование коммутатора стенда при снятии нескольких осциллограмм одновременно.

7.3.1 Исследование компаратора и триггера Шмитта на ОУ

7.3.1.1 Снять передаточную характеристику компаратора  при фиксированном значении напряжения Е2 на втором входе (кнопка S1 отжата). Регулировка входных сигналов осуществляется ручками «Е1» и «Е2». Измерения входных и выходных напряжений производится с соответствующих гнезд Х1, Х2 и Х3.

Снятие характеристики произвести при трех значениях напряжения Е2: 0В, +1 В, -2 В. Медленно изменяя ручкой «Е1» напряжение в обе стороны от фиксированного значения Е2, наблюдать ступенчатое изменение выходного напряжения компаратора со сменой полярности. Для наглядности выходное напряжение компаратора можно наблюдать по осциллографу. Данные измерений оформить в виде таблиц.

7.3.1.2 Определить порог срабатывания Uр и порог отпускания Uот триггера Шмитта при фиксированных значениях опорного напряжения Е2. Нажать кнопку S1.

Установить напряжение Е2=0. Ручку «Е1» установить в крайнее левое положение и зафиксировать максимальное значение Uвых=U+. Медленно увеличивая напряжение Е1 в сторону положительных значений, зафиксировать момент переключения триггера в противоположное состояние с отрицательным напряжением Uвых=U-. Зафиксировать с учетом знака напряжение Е1, соответствующее порогу срабатывания Uср, а также значение U-. Затем, медленно уменьшая напряжение Е1, зафиксировать момент переключения триггера в противоположное состояние с напряжением Uвых=U+. Измерить напряжение Е1, соответствующее порогу отпускания Uот.

Установить опорное напряжение Е2=+2В и повторить измерения данного пункта, имея в виду, что напряжения U+ и U- не изменяются и их повторно измерять не следует.

7.3.2 Исследование мультивибратора на ОУ

7.3.2.1 Снять осциллограммы в контрольных точках схемы мультивибратора. Соединить перемычками гнезда «Y1(I)» и X8, «Y2» и X6, «Y3(II)» и X7. Осциллографирование трех временных диаграмм произвести с использованием коммутатора стенда.

7.3.2.2 Измерить с помощью осциллографа период колебаний Т1 мультивибратора. Затем нажать кнопку S2 и зафиксировать новое значение периода колебаний Т2.

7.3.3 Исследование одновибратора на ОУ

7.3.3.1 Нажать кнопку S3 и перевести мультивибратор в ждущий режим. Зафиксировать значение Uвых с учетом знака, соответствующее исходному состоянию одновибратора.

Подать на вход схемы запускающие импульсы от источника Ег, соединив перемычкой гнезда X5 и X7. Снять осциллограммы в контрольных точках X4, X6 и X8 аналогично п.7.3.2.1. Обратить внимание, что в точке X4(X7) форма узких входных импульсов искажена ступеньками, которые обусловлены влиянием скачкообразного падения напряжения на резисторе R2, возникающем при срабатывании одновибратора.

7.3.3.2 Измерить с помощью осциллографа длительность положительных импульсов tu1 одновибратора. Нажать кнопку S2 и зафиксировать длительность импульсов tu2.

7.3.4 Исследование генератора треугольного напряжения

7.3.4.1 Снять осциллограммы в контрольных точках X9 и X10, используя коммутатор стенда.

7.3.4.2 Измерить с помощью осциллографа период колебаний Т1 генератора. Затем нажать кнопку S4 и зафиксировать период колебаний Т2.

7.4 Обработка результатов эксперимента
и оформление отчета

7.4.1 По данным п.7.3.1.1 построить передаточные характеристики компаратора и дать их сравнительную характеристику.

7.4.2 По данным п.7.3.1.2 построить передаточные характеристики триггера Шмитта при Е2=0 и Е2=+2В. Определить расчетные значения порога срабатывания и порога отпускания из соотношений

где

7.4.3 Определить расчетные значения периода колебаний мультивибратора по формуле (7.5) раздела 7.1 и сравнить с экспериментальными значениями Т1 и Т2 п.7.3.2.2 (R1=10кОм, R2=1кОм, R3=3кОм, С1=С2=0,047мкФ).

7.4.4 Определить расчетные значения длительности импульсов одновибратора по формуле (7.6) раздела 7.1 и сравнить с экспериментальными значениями tu1 и tu2 п.7.3.3.2.

7.4.5 Определить расчетные значения периода колебаний генератора треугольного напряжения по формуле (7.8) раздела 7.1 и сравнить с экспериментальными значениями Т1 и Т2 п.7.3.4.2 (R1=16кОм, R2=10кОм,
R3=16кОм, С1=С2=0,022мкФ).

Отчет о выполненной работе должен содержать: цель работы, принципиальные схемы эксперимента, таблицы, графики осциллограммы и результаты расчетов.

Вопросы для самопроверки

  1.  Объясните вид передаточной характеристики компаратора. Постройте данную характеристику при Е2=+5В.
  2.  Опишите схему триггера Шмитта и объясните вид его передаточной характеристики.
  3.  Как можно увеличить порог срабатывания и отпускания триггера Шмитта?
  4.  Поясните, чем отличается неинвертирующий триггер Шмитта от инвертирующего.
  5.  Объясните принцип работы мультивибратора на ОУ.
  6.  Поясните с помощью временных диаграмм, как изменится частота мультивибратора при увеличении резистора R2.
  7.  Объясните принцип работы одновибратора на ОУ.
  8.  Поясните, как можно уменьшить длительность импульса одновибратора, используя только резисторы R2 и R3.
  9.  Объясните принцип работы генератора треугольного напряжения.
  10.  Поясните, с помощью каких элементов можно увеличить амплитуду треугольных импульсов генератора.
  11.  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

18090. ПРАВОВЕ РЕГУЛЮВАННЯ ОХОРОНИ ПРАЦІ 70 KB
  Тема 1.2. ПРАВОВЕ РЕГУЛЮВАННЯ ОХОРОНИ ПРАЦІ Практичне заняття 2 години. Навчальні питання занять: Гарантії прав громадян з охорони праці. Нормування праці і відпочинку. Трудова дисципліна. Література: Законодавство України про охорону праці // Зб...
18091. ОХОРОНА ПРАЦІ ЖІНОК, НЕПОВНОЛІТНІХ, ТА ІНВАЛІДІВ 72.5 KB
  Тема 1.3 ОХОРОНА ПРАЦІ ЖІНОК НЕПОВНОЛІТНІХ ТА ІНВАЛІДІВ Лекція 2 години Навчальні питання лекції: Охорона праці жінок. Охорона праці неповнолітніх. Охорона праці інвалідів.. Література: Законодавство України про охорону праці // Збірни
18092. МЕДИЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ОХОРОНИ ПРАЦІ 56 KB
  Тема 1.4 МЕДИЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ОХОРОНИ ПРАЦІ Практичне заняття 2 години Навчальні питання занять: Види медичного забезпечення охорони праці. Порядок організації і проведення медичних оглядів. Права та обов’язки підприємств і працівників щодо медичног...
18093. СОЦІАЛЬНИЙ ЗАХИСТ ПРАЦІВНИКІВ 119 KB
  Тема 1.5. СОЦІАЛЬНИЙ ЗАХИСТ ПРАЦІВНИКІВ Лекція 2 години. Навчальні питання лекції: Державне соціальне страхування. Соціальний захист громадян на ринку праці. Регулювання трудових відносин Література: Законодавство України про охорону праці //...
18094. ПСИХОФІЗІОЛОГІЯ ПРАЦІ 119 KB
  Тема 2.1. ПСИХОФІЗІОЛОГІЯ ПРАЦІ Лекція 2 години. Навчальні питання лекції: Психофізіологічні аспекти праці. Критерії тяжкості та напруженості праці. Адаптація трудової діяльності людини. Література: М.П.Гандзюк Є.П.Желібо М.О.Халімовський. Основи охо
18095. ГІГІЄНА ПРАЦІ І ВИРОБНИЧА САНІТАРІЯ 56.5 KB
  Тема 2.2 ГІГІЄНА ПРАЦІ І ВИРОБНИЧА САНІТАРІЯ Практичне заняття 2 години Навчальні питання занять: Основні поняття гігієни праці і виробничої санітарії. Класифікація умов праці. Пільги і компенсації за шкідливі і важкі умови праці. Література: ...
18096. ОЗДОРОВЛЕННЯ ПОВІТРЯ ВИРОБНИЧОГО СЕРЕДОВИЩА 50 KB
  Тема 2.3. ОЗДОРОВЛЕННЯ ПОВІТРЯ ВИРОБНИЧОГО СЕРЕДОВИЩА Практичне заняття 2 години. Навчальні питання занять: Дія шкідливих речовин на організм людини. Гігієнічне нормування повітря робочої зони. Захист працівників від шкідливих речовин у повітрі. ...
18097. ОСВІТЛЕННЯ ВИРОБНИЧОГО СЕРЕДОВИЩА 90.5 KB
  Тема 2.4. ОСВІТЛЕННЯ ВИРОБНИЧОГО СЕРЕДОВИЩА Практичне заняття 2 години. Навчальні питання занять: Загальні вимоги до освітлення виробничого середовища. Природне освітлення та його розрахунок. Штучне освітлення та його нормування. Література: З
18098. ЗАХИСТ ВІД ШУМУ І ПРОМИСЛОВОЇ ВІБРАЦІЇ 109 KB
  Тема 2.5. ЗАХИСТ ВІД ШУМУ І ПРОМИСЛОВОЇ ВІБРАЦІЇ Практичне заняття 2 години. Навчальні питання занять: Шум та його нормування. Інфразвук та ультразвук. Промислова вібрація. Література: М.П.Гандзюк. Основи охорони праці // Підручник – К.: Каравела; Л