МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н. П. ОГАРЁВА»
ФАКУЛЬТЕТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
Кафедра «АВТОМАТИКА»
М. В. ИЛЬИН
с. с. КАПИТОНОВ
Б. И. ПЕТРОВ |
Релаксационные генераторы
на основе
интегральных микросхем
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
ПО КУРСУ «ЭЛЕКТРОННЫЕ ЦЕПИ И МИКРОСХЕМОТЕХНИКА»
САРАНСК
2012
УДК 621.373.132.049.77(076)
ББК Б534
Рецензент:
, доктор технических наук, профессор кафедры системотехники Саратовского государственного технического университета им.
|
Б534
Релаксационные генераторы на основе интегральных микросхем: лаборатораторный практикум / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин, , . — Саранск : Ковылк. тип., 2012. — 29 с.
ISBN ___________
Содержатся теоретические сведения и методические указания к выполнению комплекса лабораторных работ по курсу «Электронные цепи и микросхемотехника», связанных с исследованием релаксационных генераторов на основе интегральных микросхем — операционных усилителей и таймеров серии 555. Предназначено для студентов направлений подготовки «Электроника и наноэлектроника», «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», «Электроэнергетика и электротехника» и «Приборостроение». Однако данным пособием смогут пользоваться студенты и других специальностей связанных с электротехникой, электроникой и радиотехникой.
Печатается по решению научно-методического совета Мордовского государственного университета им. ёва.
УДК 621.373.132.049.77(076)
ББК Б534
ISBN ___________ | © , , 2012 |
|
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящий лабораторный практикум содержит описание второй лабораторной работы, которая проводится при изучении студентами дневной и заочной форм обучения импульсных цепей в рамках курса «Электронные цепи и микросхемотехника».
Основной целью данной работы является изучение работы основных схем релаксационных генераторов на базе широко применяемых интегральных микросхем — операционных усилителей и таймеров серии 555.
Поскольку выполнение лабораторных работ по изучаемому курсу часто опережает лекционное изложение соответствующих разделов, в описании работы введены теоретические приложения, которые могут служить учебными пособиями к соответствующим разделам курса, а также пособиями по курсовому проектированию и типовым расчетам.
Однако использование для подготовки к лабораторной работе только одного теоретического приложения является недостаточным. Необходимо изучение соответствующих разделов в литературе, приведенной в конце сборника.
При подготовке к очередной работе студент обязан ознакомиться с описанием работы, теоретическим пособием, указанной литературой, а также выполнить предварительное расчетное задание.
Отчёт по работе должен содержать изучаемые схемы, выполненное предварительное расчетное задание и полученные результаты. Отчет должен быть оформлен аккуратно на листах стандартного размера А4, а также представлен в электронном виде.
Порядок прохождения данной лабораторной работы следующий.
1. Группа студентов, приступающая к выполнению лабораторных работ, должна пройти инструктаж по общим правилам поведения в данной лаборатории и по правилам техники безопасности, о чем делается запись в соответствующем журнале с росписью каждого студента.
2. Перед очередным занятием каждый студент сдает коллоквиум по текущей работе. Если студент не готов к работе или не выполнил предварительное расчетное задание, то он к работе не допускается.
3. На следующем занятии после выполнения работы, студент должен предъявить оформленный отчёт по выполненной работе и защитить работу.
Студенты, не защитившие двух работ к моменту выполнения очередной работы, к занятиям не допускаются. Оформление отчёта по работе проводится каждым студентом.
Все лабораторные работы по изучаемому курсу рассчитаны на четырехчасовое занятие в аудитории и четырехчасовую домашнюю подготовку.
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
1.1 ОБОБЩЁННАЯ СХЕМА АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
Рассмотрим методы генерирования электрических колебаний, т. е. получения колебаний в системах, работающих в режиме самовозбуждения, когда внешний источник колебаний отсутствует. Такие системы называются автоколебательными системами или генераторами, а возникшие в них колебания — автоколебаниями. Автоколебательная система представляет собой нелинейное устройство, преобразующее энергию источника постоянной ЭДС в энергию колебаний.
Как в электронном усилителе, так и в генераторе указанное преобразование энергии возможно благодаря использованию электронных приборов в качестве управляемых элементов. Однако имеется принципиальное различие между обоими устройствами. В усилителе процесс управления электронным прибором осуществляет внешний входной сигнал. В генераторе этот процесс обеспечивает сама система с помощью цепи обратной связи — линейного четырехполюсника, соединяющего выход системы с ее входом. Схему, изображенную на рисунке 1, можно рассматривать как два последовательно соединенных четырехполюсника. В первом четырехполюснике (усилителе) происходит усиление колебаний в К раз, во втором (в цепи обратной связи усилителя) — ослабление в 1/β раз. Для того, чтобы случайно возникшие колебания возрастали на выходе по амплитуде, необходимо выполнение двух условий самовозбуждения.
Первое условие называется амплитудным условием самовозбуждения (условием баланса амплитуд). Оно определяет, что потери энергии колебаний в каждом цикле должны полностью восполняться. Это условие можно отразить следующим образом:
К0 > 1/ β, (1)
где К0 — коэффициент усиления усилителя в линейном режиме (при малой амплитуде колебаний).
Для возникновения колебаний, кроме этого, необходимо еще выполнение фазового условия самовозбуждения (условия баланса фаз):
φК + φβ = 2πn , (2)
где φК и φβ — соответственно изменение фазы колебаний при прохождении через усилитель и цепь обратной связи.
Условия (2) вытекает из того, что для осуществления восполнения энергии потерь, колебания напряжения на выходе цепи обратной связи (Uос) и на входе усилителя (Uвх) должны совпадать по фазе. Такая обратная связь, как известно, называется положительной.
Условия самовозбуждения (1) и (2) могут быть объединены, если воспользоваться комплексной формой записи:
К0 β >
Таким образом, условие самовозбуждения означает, что модуль коэффициента передачи по кольцу (коэффициент петлевого усиления), образованному четырехполюсниками усилителя и цепи обратной связи должен быть больше единицы.
Коэффициент усиления К0 и коэффициент обратной связи β в общем случае зависят от частоты ω. Поэтому, если условие (3) выполняется для нескольких частот, то все они будут генерироваться — получится генератор колебаний сложной формы. Если условие (3) выполняется для одной частоты (или узкого интервала частот), то получается генератор гармонических колебаний частоты ω.
Рисунок 1 — Общий принцип построения автогенераторов.
1.2 МУЛЬТИВИБРАТОРЫ
Среди генераторов негармонических колебаний, пожалуй, самыми распространенными являются генераторы импульсов прямоугольной формы. В этих генераторах либо велика глубина обратной связи (β >> 1) либо очень большое значение имеет коэффициент усиления усилителя (К>> 1). Характерной особенностью рассматриваемых колебаний является наличие участков с медленным изменением сигнала и участков с очень быстрым, скачкообразным его изменением. Скачок возникает при выполнении, условия самовозбуждения К0 β > 1. При этом из-за больших значений К или β усилитель быстро уходит в насыщение. После чего К уменьшается и при Кβ = 1 лавинный процесс нарастания тока прекращается. С этого момента начинается медленный процесс (например, разряда конденсатора), который приводит к изменению входного напряжения усилителя, перевода его в активный режим, к замыканию цепи обратной связи и появлению следующего скачка. Таков цикл работы схемы. Так работают генераторы, за которыми закрепилось название мультивибраторов.
В последнее время все чаще для построения мультивибраторов используют операционные усилители (ОУ). Схемы мультивибраторов на основе ОУ могут быть различными. Наиболее простые из них обычно строят, охватывая ОУ цепями положительной и отрицательной обратной связи (соответственно — ПОС и ООС), причем ПОС по своему действию во времени должна быть опережающей по отношению к ООС. Тогда цепь ПОС обеспечивает лавинообразный переход мультивибратора из одного состояния в другое, а цепь ООС (совместно с цепью ПОС) ограничивает время пребывания устройства в каждом из состояний. Пример такой схемы показан на рисунке 2а. В этой схеме цепь ПОС выполнена на основе резистивного делителя R1, R3, а цепь ООС содержит пассивный интегратор R2, C1. На рисунке 2б представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы такой схемы.
а)
б)
Рисунок 2 — Схема мультивибратора на ОУ (а) и временные диаграммы
его работы (б).
При подаче питания на инвертирующий вход ОУ поступает напряжение U1 = 0, так как конденсатор С1 сразу не успевает зарядиться, а на неинвертирующий вход с делителя R1, R3 тут же поступает напряжение Uогр= Uвых max R1/(R1–R3). Полярность ограничивающего напряжения Uогр определяется полярностью напряжения на выходе ОУ.
Пусть Uвыхmax > 0, тогда и Uогр > 0. При этом конденсатор С1 начнет заряжаться через резистор R1 током I1, (интервал времени 0 — t1 на рисунке 2.б), стремясь зарядиться до +Uвыхmax. В момент t1 напряжение на конденсаторе достигнет уровня +Uогр, а затем немного превысит его (на доли милливольта), т. е. напряжение на инвертирующем входе ОУ окажется больше, чем на неинвертирующем.
Выходное напряжение ОУ при этом скачком изменяет свою полярность, делается равным — Uвыхmax и начинается перезаряд конденсатора С1 током I2 противоположного направления. Как только напряжение U1 достигает уровня –Uогр (момент t2), полярность выходного напряжения вновь изменяется, т. е. становится положительной +Uвыхmax. Затем начинается перезаряд конденсатора С1 током I1, и процесс повторяется.
Модуль ограничивающего (порогового) напряжения Uогр определяется глубиной положительной обратной связи βп и уровнем максимального выходного напряжения ОУ Uвых max:
| Uогр | = βп |Uвых max | = R1/(R1+R3) |Uвых max |.
Таким образом, схема генерирует импульсную последовательность со скважностью 2 и полным размахом выходного напряжения 2Uвыхmax. Длительность выходных импульсов
τи1 = R1С1ln(1 + 2R1/R2) = τи2, Т = τи1 + τи2. (4)
В мультивибраторе, выполняемого по схеме представленной на рисунке 3 цепь ПОС (C1, R2, R4) выполнена дифференцирующей (C1, R4, R3), а цепь ООС образована резистивным делителем R1, R3.
Рисунок 3 — Мультивибратор на ОУ с дифференцирующей цепью
в положительной обратной связи/
Обозначим βп = R3/(R3+R4), β0=R1/(R1+R2). После перехода выходного напряжения мультивибратора, например, с уровня –Uoгp на уровень +Uoгp возникающий на неинвертирующем входе скачок напряжения 2βпUoгp затем уменьшается по экспоненте. Полупериод колебаний Т/2 определяется временем, в течение которого напряжение на неинвертирующем входе уменьшается до напряжения на инвертирующем входе:
,
где τ = C (R3 + R4).
Исходя из этого равенства, находим период колебаний по формуле:
.
Мультивибратор по схеме, представленной на рисунке 3, работоспособен лишь при βп > β0 иначе говоря, при R3/R4 > R1/R2.
Мультивибратор, подобный показанным на рисунках 1 и 2, может быть построен и при сочетании дифференцирующей цепи в ПОС с интегрирующей цепью в ООС.
Вводя в схемы мультивибраторов дополнительные элементы можно получать возможности регулировок параметров выходного сигнала и обеспечения его определенных качеств.
Скважность выходных импульсов мультивибратора можно изменять, используя различные цепи заряда и разряда емкости С1 (рисунок 4).
Рисунок 4 — Цепь отрицательной обратной связи с возможностью
регулирования скважности выходных импульсов мультивибратора.
Регулирование скважности выходных импульсов может осуществляться включением в схему и изменением напряжения источника смещения Есм (рисунок 5а). В этой схеме |+Uогр| не равно |–Uогр|. По сравнению с соответствующим напряжением в точке ранее рассмотренной схемы (рисунок 1) одно из них теперь стало больше, а другое меньше на Есм. Из-за этого как показано на рисунке 5б. длительность положительного импульса выходного напряжения увеличилась, а отрицательного — уменьшилась. Полярность Есм в схеме можно установить другой, при этом длительность положительного импульса выходного напряжения уменьшится, а отрицательного — увеличится.
а.
б.
Рисунок 5 — Регулирование скважности выходных импульсов
мультивибратора с помощью смещения.
Для стабилизации амплитуды выходных импульсов и уменьшения влияния изменения напряжений источников питания ОУ на стабильность частоты мультиплексора к выходу последнего подключают параметрический двухсторонний стабилизатор, выходной сигнал которого поступает в цепи положительной и отрицательной обратных связей (рисунок 6).
Рисунок 6 — Двухсторонний параметрический стабилизатор.
В такой схеме стабилитроны VD1, VD2 стабилизируют амплитуду выходных импульсов, ограничивая ее пределами напряжения стабилизации стабилитронов UСТ+ и UСТ–. Пороговые напряжения Uогр при этом практически не зависят от колебаний напряжений питания ОУ. Следовательно, моменты времени перехода мультивибратора из одного состояния в другое (t1, t2) также будут мало зависеть от колебаний напряжений источников питания, т. е. повысится стабильность частоты мультивибратора.
Мультивибраторы, в которых управление автоколебаниями осуществляется с помощью входного напряжения (внешнего управляющего сигнала) называются управляемыми.
а.
б.
Рисунок 7 — Управляемые мультивибраторы.
В устройстве, выполненном по схеме (рисунок 7а), с помощью входного напряжения включается или выключается режим генерации импульсов. Это устройство может использоваться как генерирующий компаратор. Если UBX < 0, то операционный усилитель находится в состоянии отрицательного ограничения, диод VD при этом закрыт. Когда же входное напряжение UВХ положительно, выходное напряжение ОУ становится также положительным и диод открывается. Последнее означает включение цепи ООС, вследствие чего устройство начинает работать в режиме мультивибратора. Условием возникновения автоколебаний в данном случае является превышение глубины ПОС над глубиной ООС, что достигается при R2/R4 > R1/R3.
Если в рассмотренном устройстве (рисунок 7а) изменить направление включения диода VD, то оно будет генерировать импульсы при отрицательном управляющем напряжении на входе.
Если в подобном генерирующем компараторе не включать диод в цепь ООС, то устройство приобретает свойства двухуровневого компаратора. В таком устройстве импульсы на выходе существуют, пока выходное напряжение UBЫX = UBX(l+R3/R1) находится в границах линейного участка амплитудной характеристики. В противном случае на выходе ОУ устанавливается напряжение, соответствующее положительному (при UBX > 0) или отрицательному (при UBX < 0) уровням ограничения.
В мультивибраторе, выполненном по схеме, приведённой на рисунке 7б с помощью входного напряжения осуществляется управление частотой автоколебаний. Заряд конденсатора С1 производится от входного сигнала UBX, ОУ при этом находится в состоянии положительного ограничения, диод VD закрыт. Когда под действием сигнала UBX напряжение на инвертирующем входе ОУ достигает уровня, задаваемого на неинвертирующем входе цепью ПОС (R2, R4), происходит лавинообразный переход ОУ в состояние отрицательного ограничения. Диод VD открывается, и происходит разряд конденсатора С1 через резистор R3. Затем устройство лавинообразно возвращается в исходное состояние и т. д. Таким образом, длительность заряда С определяется сигналом UBX. Длительность разряда С может быть сделана достаточно малой, вследствие чего частота колебаний будет в основном определяться сигналом UBX. Для этого требуется, чтобы было UBX/R1<< Uогр/R3. Автоколебания в рассматриваемом устройстве существуют при UBX > UогрR2/(R2+R4) и UBX < UогрR1/R3.
Мультивибратор, выполненный по схеме, приведённом на рисунке 7б является простейшим преобразователем напряжения в частоту (ПНЧ).
1.3 ОДНОВИБРАТОРЫ
Схемы, которые имеют одно устойчивое состояние, из которого их можно выводить, подавая управляющий сигнал называют одновибраторами. Причем через определенное время, после того как управляющий сигнал будет снят, они опять вернутся в исходное устойчивое состояние. Одновибраторы чаще всего используют для генерации одиночного импульса заданной длительности с началом в заданный момент времени. Одновибраторы нетрудно построить, дополняя соответствующими цепями любой из рассмотренных выше мультивибраторов.
На рисунках 8а и 8б показаны схемы одновибраторов, построенных на основе управляемых мультивибраторов (рисунок 7). В первом случае (рисунок 8а) мультивибратор заторможен в состоянии отрицательного выходного напряжения (–Uогр) за счет диода VD1. Это состояние устойчиво, если UVD< UогрR2/(R2 + R3), где UVD — напряжение на открытом диоде. Во втором случае (рисунок 8б) автоколебания в мультивибраторе прекращены за счет подачи на инвертирующий вход ОУ через резистор R5 дополнительного напряжения Е. Здесь требуется, чтобы выполнялось неравенство E/R5 >Uогр/R2. В частности, если Е — это напряжение питания ОУ, то удобно взять R2 = R5.
а.
б.
Рисунок 8 — Варианты схем одновибраторов.
Импульсом запуска UBX одновибратор переводится в квазиустойчивое состояние — состояние положительного выходного напряжения +Uогр. В одновибраторе, приведённом на рисунке 8а, запуск производится через дифференцирующую цепь С1, R1 и диод VD1. В одновибраторе (рисунок 8б) этой цели служит дифференцирующая цепь С1, R1. В этом одновибраторе можно принять R3 << R5, R2; R1 << R4; тогда условие квазиустойчивого состояния выполняется при UoRpR4/R6 > ER3/R2+UoRpR3/R5.
По окончании перезаряда конденсатора C2 одновибратор снова возвращается в устойчивое состояние и находится в нем до прихода следующего запускающего импульса. Таким образом, в ответ на каждый импульс запуска одновибратор в данном случае формирует одиночный положительный импульс, длительность которого зависит от постоянной времени перезаряда конденсатора С2.
1.4 ГЕНЕРАТОРЫ СИГНАЛОВ СПЕЦИАЛЬНОЙ ФОРМЫ
Находят применение также более сложные релаксационные генераторы на основе ОУ. Для получения треугольного выходного напряжения можно, например, образовать замкнутый контур из интегратора и формирователя типа триггера Шмитта (рисунок 9). На выходе интегратора здесь формируется напряжение треугольной формы с периодом T = 4C1R1R2/R3 и с амплитудой, равной UCTR2/R3, где UCT — напряжение стабилизации двустороннего стабилитрона VZ1. На стабилитроне получаем напряжение прямоугольной формы с амплитудой UCT.
Рисунок 9 — Генератор сигнала треугольной формы.
На рисунке 10 представлена схема формирователя ступенчатого напряжения. Он состоит из счетчика импульсов на микросхеме DD1 и суммирующего усилителя на ОУ DA1. На вход подают последовательность импульсов. С приходом каждого импульса значение кода на выходе счетчика увеличивается на единицу. Разряды этого двоичного кода поступают на резистивную матрицу. Резистивная матрица, резистор RОС и ОУ образуют суммирующий усилитель. Номиналы резисторов резистивной матрицы распределены по двоичному закону, т. е. пропорциональны весам разрядов двоичного кода. Таким образом, по каждому входу сумматора задается свой коэффициент усиления, который пропорционален весу соответствующего разряда выходного кода счетчика. Поэтому напряжение на выходе суммирующего усилителя растет пропорционально росту кода на выходе счетчика. После каждых шестнадцати импульсов счетчик переполняется и значение кода на его выходе становится равным нулю. При этом устанавливается в ноль и напряжение на выходе суммирующего усилителя. В дальнейшем с поступлением импульсов процесс формирования ступенчатого напряжения повторяется. Число кодовых комбинаций на выходе счетчика определяет число градаций сигнала — в данном случае оно равно 16.
Рисунок 10 — Генератор ступенчатого пилообразного напряжения.
Максимальная рабочая частота формирователя равна нескольким десяткам килогерц. Она ограничена в основном частотными свойствами ОУ. Для получения на выходе сигнала частотой в сотни килогерц необходимо вместо ОУ применить усилитель на транзисторе, включенном по схеме с общей базой.
1.5 ГЕНЕРАТОРЫ НА ОСНОВЕ ТАЙМЕРА КР1006ВИ1 (NE555)
1.5.1 ЖДУЩИЙ РЕЖИМ
На рисунке 11 представлена функциональная схема таймера КР1006ВИ1, который является отечественным аналогом широко применяемого таймера серии 555 (например, NE555), работающего в ждущем режиме.
Рисунок 11 — Функциональная схема таймера КР1006ВИ1 (NE555), работающего в ждущем режиме.
В режиме ожидания входной сигнал 
на выводе 2 «TRI» имеет высокий уровень (по крайней мере, больше, чем 
). При этом выходное напряжение компаратора соответствует лог. 1. Для инверсного входа триггера этот уровень является неактивным. Напряжение 
на времязадающем конденсаторе 
близко к нулю, и выходное напряжение компаратора КН1, приложенное к инверсному входу 
триггера, также имеет уровень лог. 1. Триггер находится в режиме хранения в состоянии Q= 0, 
= 1. Транзистор VT1 закрыт, а VT2 — открыт. На выходе таймера — низкий уровень. Ключ VT3 замкнут и поддерживает конденсатор в разряженном состоянии.
При отрицательном кратковременном перепаде входного сигнала < VCC/3 (рисунок 12) на выходе компаратора КН2 на время перепада установится логический ноль (активный уровень для - входа триггера) и триггер переключится в состояние Q = 1, = 0.
Рисунок 12 — Временные диаграммы работы ждущего мультивибратора
на таймере КР1006ВИ1 (NE555).
Ключ VT3 при этом размыкается, и конденсатор начинает заряжаться через резистор 
от источника питания. Уравнение заряда конденсатора имеет вид:
.
Решение этого уравнения при нулевых начальных условиях:
.
Импульс заканчивается по достижении напряжения 
величины опорного напряжения 
. При этом компаратор КН1 переключится и переведёт триггер в первоначальное состояние. Ключ VT3 замкнётся и разрядит конденсатор. Длительность импульса определится из уравнения:
,
из которого следует, что
.
Если в течение этого времени на вход придёт ещё один запускающий импульс, то триггер останется в единичном состоянии, т. е. повторный запуск во время заряда конденсатора 
игнорируется. Разряд времязадающего конденсатора происходит очень быстро, хотя и не мгновенно. Если следующий запускающий импульс придёт во время разряда конденсатора, то длительность импульса таймера сократится. Это время, называемое временем релаксации, во всяком случае, значительно меньше аналогичного времени ждущего мультивибратора на ОУ и соизмеримо со временем релаксации одновибратора на компараторе.
1.5.2 АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ РЕЖИМ
Схема простейшего автоколебательного мультивибратора на таймере КР1006ВИ1 (NE555) приведена на рисунке 13.
Рисунок 13 — Функциональная схема таймера КР1006ВИ1 (NE555), работающего в автоколебательном режиме.
Когда потенциал на конденсаторе достигнет нижнего порога срабатывания таймера, на входе 
триггера установится низкий (активный) уровень. Триггер переключится в состояние лог. 1 и ключ VT3 разомкнётся. При этом начнётся заряд конденсатора через два последовательно включенных резистора и 
. Напряжение на конденсаторе достигнет верхнего порога срабатывания за время:
.
При этом компаратор КН1 переключится, на входе R триггера установится низкий (активный) уровень, триггер переключится в состояние Q = 0, = 1 и ключ VT3 откроется. Конденсатор будет разряжаться через резистор 
до тех пор, пока напряжение на нём не достигнет нижнего порога срабатывания таймера. Это произойдёт за время:
.
Затем все процессы будут повторяться. Частота выходного напряжения мультивибратора составит:
.
Временные диаграммы работы автоколебательного мультивибратора представлены на рисунке 14. При подаче сигнала низкого уровня на вход RST (вывод 4) генерацию можно остановить.
Рисунок 14 — Временные диаграммы работы автоколебательного мультивибратора на таймере КР1006ВИ1 (NE555).
2 РАБОЧИЕ ЗАДАНИЯ
Для всех приведённых ниже схем и для схем на таймере КР1006ВИ1 (NE555) разработать модели в Multisim. Изучить согласно заданию влияние величин номиналов элементов схем на параметры выходного сигнала. Изменить величины номиналов времязадающих элементов схем для получения выходных сигналов с заданными параметрами (частота, скважность, длительность импульса) согласно заданию полученного от преподавателя. Сохранить в графический файл осциллограммы с виртуальных осциллографов выходных сигналов и для управляемых схем входных сигналов.
2.1 ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ МУЛЬТИВИБРАТОРА НА ОУ СО СТАБИЛИЗАЦИЕЙ АМПЛИТУДЫ ВЫХОДНЫХ ИМПУЛЬСОВ
Схема, представленная на рисунке 15, реализована на основе схемы мультивибратора, рассмотренной выше (рисунок 2а). Для исследования различных подходов к изменению параметров генерируемого сигнала в схему введено несколько дополнений.
Рисунок 15 — Мультивибратор на ОУ со стабилизацией амплитуды выходных импульсов.
Произведите самостоятельный расчет периода колебаний, используя формулу (4) для обоих случаев, когда резисторы R1, R5 и R6 равны своим минимальным и максимальным значениям. При расчетах используйте номиналы резисторов, указанные на схеме. Измерьте частоту импульсов на выходе мультивибратора с помощью осциллографа или частотомера и сравните полученные и расчетные значения.
С помощью осциллографа снимите в одном масштабе временные диаграммы сигналов на инвертирующем, не инвертирующем входах ОУ и на выходе мультивибратора. Для синхронизации временных диаграмм друг относительно друга по времени используйте внешнюю синхронизацию осциллографа.
Пронаблюдайте, как изменятся временные диаграммы при изменении величины резистора R1. Проверьте, согласуются ли измеренные Вами значения порогового напряжения с его расчетной величиной (проведите соответствующие расчеты и наблюдения для R1 = 0 кОм, 5 кОм и 10 кОм).
Пронаблюдайте, как изменятся временные диаграммы при изменении резисторов R5 и R6. Рассчитайте, какова должна быть длительность импульсов при различных величинах любого из этих резисторов и проверьте как Ваши расчеты согласуются с экспериментально снятыми результатами (расчет и наблюдения проведите при R6 = 0 кОм, 10 кОм и 20 кОм, R5 = 0 кОм).
2.2 УПРАВЛЯЕМЫЙ МУЛЬТИВИБРАТОР НА ОУ
В основу изучаемой схемы (рисунок 16) положена схема, рассмотренная выше и представленная на рисунке 7.
Рисунок 16.
Вращая движок переменного резистора R2, одновременно контролируйте с помощью осциллографа или вольтметра полярность и уровень напряжения на выходе резистивного делителя R1, R2, R3 (уровень входного управляющего напряжения мультивибратора на конденсаторе C1). Отметьте, при каком управляющем напряжения на выходе мультивибратора возникнут колебания. Зафиксируйте результаты наблюдений.
Вращая движок переменного резистора R2, одновременно контролируйте с помощью осциллографа или вольтметра полярность и уровень напряжения на выходе резистивного делителя R1, R2, R3. Проследите, как будет изменяться выходной сигнал мультивибратора. Зафиксируйте результаты наблюдений.
2.3 ОДНОВИБРАТОРЫ НА ОУ
В качестве изучаемых схем одновибраторов положены схемы, приведённые на рисунках 17 и 18.
Рисунок 17.
Рисунок 18.
В качестве генератора входных импульсов служащих для запуска, рассматриваемых одновибраторов, используется выходной сигнал генератора импульсов прямоугольной формы. Обратите внимание, что период управляющего сигнала должен быть больше длительности выходного сигнала каждого одновибратора. Поэтому перед наблюдением работы одновибраторов оцените, какова должна являться длительность выходного сигнала каждого из одновибраторов. После этого, используя настройки генератора установите такую частоту его выходного сигнала, чтобы указанное условие соблюдалось.
Снимите временные диаграммы входного, выходного сигнала одновибратора, а также временные диаграммы в тех точках схем, которые выведены для наблюдения в виде гнезд. Для синхронизации временных диаграмм друг относительно друга по времени используйте внешнюю синхронизацию осциллографа.
2.4 ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ТРЕУГОЛЬНОЙ ФОРМЫ НА ОУ
Рисунок 19.
Схема генератора импульсов треугольной формы (рисунок 15) по сравнению со схемой рассмотренной выше и представленной на рисунке 9 отличается включением в нее двухстороннего компаратора. Исследование работы схемы заключается в снятии временных диаграмм сигналов на R2 и С1, а также засинхронизированных друг относительно друга временных диаграмм выходного сигнала генератора импульсов треугольной формы.
2.5 ГЕНЕРАТОР СТУПЕНЧАТОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ИМС
Рисунок 20.
Схема исследуемого генератора ступенчатого напряжения (рисунок 20) несколько усложнена по сравнению со схемой рассмотренной выше и представленной на рисунке 10. Соответственно расширены и ее функциональные возможности. Счетчик импульсов DD1 реализован на интегральном реверсивном счетчике. Подавая импульсы на прямой и обратный счетные входы можно вести прямой и обратный отсчет импульсов. Соответствующим образом будет изменяться и выходное напряжение. Частоту входных импульсов можно менять, вращая ручку регулятора частоты встроенного в стенд генератора прямоугольных импульсов. С помощью кнопочного переключателя на стенде, можно выбирать на какой (прямой или обратный) счетный вход счетчика будут поступать входные импульсы.
В схему суммирующего усилителя на ОУ DA1 введена цепь смещения на резисторах R6 и R7. Вращая ручку переменного резистора R7 можно в выходной сигнал генератора вводить постоянное смещение.
По сравнению со схемой, представленной на рисунке 10, в схему данного генератора для увеличения нагрузочной способности счетчика введены инвертирующие элементы на ИС DD2.
С помощью осциллографа снимите временные диаграммы сигналов на каждом из выходов счетчика, а также на выходе генератора. Для синхронизации временных диаграмм друг относительно друга по времени используйте внешнюю синхронизацию осциллографа от выходного сигнала генератора.
Установив для удобства визуального наблюдения минимальную частоту встроенного генератора счетных импульсов, наблюдайте поведение выходного сигнала генератора при подаче импульсов на входы прямого и обратного счета счетчика.
3 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Сумейте объяснить работу любой из схем представленных на стенде, при этом необходимо представлять назначение любого элемента схемы, требования и ограничения выбора номинала каждого из них.
2. Сформулируйте принципы необходимые для возбуждения генераторов.
3. Какой тип обратной связи используется в генераторах?
4. Какова скважность выходного сигнала мультивибратора (рисунок 2).
5. Как можно менять скважность (длительность положительного и отрицательного импульсов) в мультивибраторе?
6. Какие цепи могут использоваться для реализации положительной обратной связи в мультивибраторах?
7. Какие мультивибраторы называются управляемыми?
8. Какие параметры выходного сигнала мультивибраторов, изображенных на рисунке 7, могут меняться?
9. Сформулируйте назначение одновибраторов.
10. Как меняется двоичный код на выходе счетчика? Сумейте записать значение кода на выходе счетчика после прихода известного количества счетных импульсов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Волович аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств / . — М. : Издательский дом «Додэка-ХХI», 2005. — 528 с.
2. Марченко электроники. Учебное пособие для вузов / . — М. : ДМК Пресс, 2008. — 296 с.
3. Картер, Брюс. Операционные усилители для всех / Брюс Картер и Рон Манчини; пер. с англ. . — М. : Издательский дом «Додэка-ХХI», 2011. — 544 с.
4. Шелестов : полезные схемы. Книга 5 / . — М. : СОЛОН-Пресс, 2003. — 240 с.
5. Колонтаевский : Учеб. пособие для СПТУ / . — М. : Высш. шк., 1988. — 304 с.
6. Горошков радиоэлектронных устройств / . — М. : Радио и связь, 1988. — 176 с.
7. Гутников электроника в измерительных устройствах / . — М. : Энергоатомиздат, 1988. — 304 с.
СОДЕРЖАНИЕ
предисловие ………………………………………………………… | 3 | |||
1 | Теоретический раздел ……………………………………………… | 4 | ||
1.1 | Обобщённая схема автоколебательной системы …………….. | 4 | ||
1.2 | Мультивибраторы ………………………………………………. | 6 | ||
1.3 | Одновибраторы …………………………………………………. | 13 | ||
1.4 | Генераторы сигналов специальной формы …………………… | 15 | ||
1.5 | Генераторы на основе таймера КР1006ВИ1 (NE555) ………... | 16 | ||
1.5.1 | Ждущий режим …………………………………………… | 16 | ||
1.5.2 | Автоколебательный режим ……………………………… | 19 | ||
2 | Рабочие задания ……………………………………………............. | 21 | ||
2.1 | Исследование работы мультивибратора на ОУ со стабилизацией амплитуды выходных импульсов …………… | 21 | ||
2.2 | Управляемый мультивибратор на ОУ ……………………....... | 22 | ||
2.3 | Одновибраторы на ОУ ………………………………………… | 23 | ||
2.4 | Генератор импульсов треугольной формы на ОУ …………… | 24 | ||
2.5 | Генератор ступенчатого напряжения на ИМС ………………. | 24 | ||
3 | Контрольные вопросы …………………………………………….. | 27 | ||
Библиографический список ……………………………………….. | 27 |
РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
НА ОСНОВЕ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Лабораторный практикум
по курсу «Электронные цепи и микросхемотехника»
Учебное издание
|
С. С. КАПИТОНОВ, .
Печатается в соответствии с предоставленным
оригинал-макетом
Сдано в набор __.11.2012. Подписано в печать __.12.2012.
Гарнитура Таймс. Печать офсетная. Формат 60х84 1/16.
Уч.-изд. л. 0,00 Усл. печ. л. ___. Тираж 100 экз.
Заказ
Мордовский государственный университет им. ёва
430005 8
Отпечатано в Ковылкинской типографии Министерства печати и информации Республики Мордовия
431350 б.
