Практика 11 неделя 2022. Коэффициент усиления без учета цепи обратной связи
 Скачать 345.32 Kb.
|
|
Практическое занятие №11 ГЕНЕРАТОРНЫЕ И ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА Теоретические сведения ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ Генераторы строят на основе усилителей, охваченных цепью положительной обратной связи. Для автогенераторов, те. генераторов с самовозбуждением, работающих без внешнего входного сигнала, процесс генерации колебаний происходит в случае выполнения двух условий 1 K , (1) n K π 2 ; (2) где K – коэффициент усиления (без учета цепи обратной связи ОС вых U U – коэффициент обратной связи K – сдвиг фазы, вносимый усилительным каскадом χ – сдвиг фазы, вносимый цепью ОС n = 0, 1, 2, … генераторы строятся на фазосдвигающих (фазовращающих) RC- цепях. Обычно усилитель, на основе которого строится генератор гармонических (синусоидальных) колебаний, вносит угол фазового сдвига между входными выходным сигналом K = π. Соответственно, чтобы выполнялось условие n K π 2 , необходимо, чтобы фазовращающая цепь также сдвигала фазу на угол χ = π, причем это условие из-за частотной зависимости угла фазового сдвига φ, вносимого реактивными элементами (в данном случае конденсаторами, будет выполняться только на одной частоте. Эта частота называется квазирезонансной. Именно на этой частоте будут генерироваться синусоидальные колебания в генераторе. Фазовращающая цепьсостоит из нескольких обратных Г-образных RC- звеньев (обратных, т.к. в виде перевернутой справа налево буквы Г, как показано на рис. 1. Рис. 1. Фазовращающие цепи а – параллель б – С-параллель Изменение фазы зависит от числа звеньев n. Каждая цепь сдвигает фазу на угол 0° < φ < 90°, точное значение которого определяется 2 соотношением между емкостными резистивным сопротивлениями. Соответственно, для получения суммарного сдвига фаз всей фазовращающей цепью на величину π (180°) необходимо не менее трех звеньев (п = 3, если каждое звено дает сдвиг фазы в 60°). На рис. 1 изображены два варианта таких цепочек, получивших название соответственно параллель и С- параллель. Обычно параметры звеньев делают одинаковыми. На рис. 2 показаны варианты реализации схем генератора на микросхеме ОУ. В их основе лежат фазосдвигающие цепи (параллель и С-параллель), которые обеспечивают сдвиг фазы для генерируемой частоты на 180°. Это, с учѐтом инвертирующего усилителя, который также обеспечивает сдвиг фазы сигнала на 180°, получаем суммарный сдвиг фазы сигнала 2π. Количество звеньев фазосдвигающей цепи может быть в принципе любое, ноне менее 3. Рис. 2. Варианты схем автогенератора на ОУ с параллелью (Аи Б) и С-параллелью (В) Для схемы риса при R 1 = R 2 = R, C 1 = C 2 = C 3 = C: Частота колебаний RC f 3 2 1 0 . Условие автогенерации: R 3 ≥12R. (3) Для схемы рис. 2, б при R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = R, C 1 = C 2 = C 3 = C: Частота колебаний RC f 6 2 1 0 . Условие автогенерации: 29 4 5 R R . (4) Для схемы рис. 2, в при R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = R, C 1 = C 2 = C 3 = C: 3 Частота колебаний RC f 2 6 0 . Условие автогенерации: 29 4 5 R R . (5) ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИМПУЛЬСЫ На рис. 3 показан прямоугольный импульс напряжения. Параметрами импульса являются амплитуда импульса иона может быть положительной, как на рис. 3, и отрицательной, тогда импульс будет смотреть вниз, длительность и, длительность паузы п, период следования импульсов T = и + п, начальное напряжение U 0 – оно может быть положительным, отрицательным или нулевым. В первом случае импульс будет смещен относительно нулевой амплитуды вверх, как на рис. 3, во втором случае – вниз, в третьем случае без смещения по вертикали, те. будет колебаться относительно нуля. Рис. 3. Параметры прямоугольного импульса С этими параметрами, которые определяются напрямую из приведенной на рис. 3 временной диаграммы, связаны также f = 1/T – частота повторения импульсов Q = и – скважность импульса з = 1/Q= и – коэффициент заполнения. Рис. 4. Параметры импульса произвольной формы 4 В случае произвольного по форме импульса (риск этим параметрам добавляются длительность переднего фронта импульса фр (время нарастания импульса от 0,1 m U до 0,9 m U ); длительность заднего фронта импульса фр t (время спада импульса от 0,9 m U до 0,1 m U ); перепад вершины импульса U. В этом случае период импульса складывается из длительностей всех его этапов T = фри+ фр + t п При этом обычно длительности фронтов фри фр на несколько порядков величины (те. в десятки, сотни, тысячи раз) меньше времени и t п КОМПАРАТОР Показанный на рис. 5 компаратор переключается на выходе из одного устойчивого состояния в другое в моменты времени, когда напряжение на одном входе, например, на инвертирующем, только-только начинает превышать или, наоборот, становится меньше, чем напряжение на другом входе (неинвертирующем). Рис. 5. Компаратор схема (аи временные диаграммы работы (б) В случае если и > ни, на выходе устанавливается максимальное отрицательное напряжение max вых U , если и < ни, на выходе устанавливается максимальное положительное напряжение max вых вых U U Учитывая очень большой коэффициент усиления микросхемы (д в десятки и сотни тысяч, можно считать, что переключение происходит в моменты равенства входных напряжений друг другу. 5 Задачи для решения 1. Для схемы генератора на риса определить частоту генерации колебаний, если известно, что C1 = C2 = C3 = 1 мкФ, R1 = R2 = 100 Ом. Какое минимальное значение сопротивления должно быть у резистора R3, чтобы генератор работал 2. В схеме генератора на рис. 2, б R1 = R2 = R3 = R4 = 2,5 кОм. Найти значения параметров всех остальных элементов схемы, чтобы она вырабатывала колебания на частоте 1 кГц. (Принять C1 = C2 = C3 = СВ схеме генератора на рис. 2, в C1 = C2 = C3 = 100 нФ. Найти значения параметров всех остальных элементов схемы, чтобы она вырабатывала колебания на частоте 20 кГц. (Принять R1 = R2 = R3 = R4 = R.) 4. Определить длительность паузы прямоугольного импульса (рис. 3), если известно, что частота следований импульсов 5 кГц, скважность импульса равна 1,5; 2; 3. (Должно быть три ответа) 5. Определить частоту следования импульсов, если известно, что длительность импульса 5 мкс, длительность паузы 4 мкс, длительность переднего фронта импульса 20 нс, заднего фронта 50 нс. 6. Определить, через какое время переключится компаратор на риса, если известно, что на его инвертирующий вход подается опорное напряжение 2 В, а на неинвертирующем входе напряжение линейно нарастает от нуля по закону u(t) = 5000·t. Какого знака было напряжение на выходе компаратора изначально и с каким знаком оно стало после переключения 7. Определить длительность времени, в течение которого на выходе компаратора (рис. 5) держится максимальное отрицательное напряжение (теина рис. 5, б, и длительность времени, в течение которого на выходе держится максимальное положительное напряжение (те. п на рис. 5, б. На неинвертирующий вход подается опорное напряжение 2,5 В, а на инвертирующем входе напряжение меняется по закону u вх (t) = 5·sin(6280·t). Примечание к задачами Нужно найти время, при котором и = ните. решить уравнение u вх (t) = оп относительно t. Ответ должен получиться в секундах (в мс, мкс и т.д.). Задаче 7 соответствует временная диаграмма на рис. 5, б. В случае задачи 7 получится не один, а серия корней, т.к. уравнение тригонометрическое, а корни должны находиться как arcsin с соответствующей для функции sin периодичностью (не забудьте, что здесь нужно подразумевать радианы, те. π/6 или π/3, π/2, 2π/3, π и т.д. (и не забыть далее, что π = 3,14), а не градусы. Затем нужно будет найти разность между моментами времени, когда u вх (t) = оп, опять с учетом периодичности функции sin, которая будет пересекаться с прямой U = оп много раз. Чтобы было понятно, сделайте для задачи рисунки временных диаграмм напряжений. |