Мультивібратор на операційному підсилювачі

Наприкінці розглянемо мультивібратор, створений на основі операційного підсилювача (ОП) (рис. 4а). Робота цієї схеми базується на "конкуренції" позитивного зворотного зв'язку через дільник R₁R₂ і "затриманого" негативного зворотного зв'язку через ланцюг RC. Звичайно ОП знаходиться в режимах насичення: верхнього , коли більше нуля, або нижнього , коли , і переходить з одного в другий, коли змінює знак.

Нехай, наприклад, ОП знаходиться в режимі верхнього насичення (рис. 5). Напруга на неінвертуючому вході , де – коефіцієнт позитивного зворотного зв'язку. Нехай ємність С перезаряджається від деякого початкового значення , прямуючи до . Але в момент, коли доросте до величини і трохи перевищить її, різниця вхідних напруг змінить свій знак на негативний, ОП перейде в нижній режим насичення, і стане рівним . Тепер ємність С знову буде перезаряджатися від позитивних значень до негативних, прямуючи до . Але, досягнувши значення , напруга тим самим перетворить різницю на позитивну, що знову переведе ОП в верхній режим насичення. Далі цей процес періодично повторюватиметься.

У подібного мультивібратора позитивний і негативний напівперіоди дорівнюють один одному (меандр). Якщо бажано зробити їх різними, замість резистора R слід увімкнути схему, зображену на рис. 4 б, яка має різний опір в протилежних напрямках.

ХІД РОБОТИ

1.1. Зберіть схему для дослідження мультивібратора із регульованою шпаруватістю та фіксованою частотою.

1.2. За допомогою осцилографа визначте основні параметри імпульсної послідовності. Результати занесіть в табл. 1.

Таблиця 1

Положення регулятора R3	Т	t_i	t_п	q
1(R3 max)

3(R3 min)

1.3. Зберіть для дослідження схему мультивібратора із регульованою частотою та фіксованою шпаруватістю.

1.4. За допомогою осцилографа визначте основні параметри імпульсної послідовності. Результати занесіть в табл. 2.

Таблиця 2

Положення регулятора R3	Т	t_i	t_п	q
1(R3 max)

3(R3 min)

1.5. Зберіть для дослідження схему одновібратора із регульованою тривалістю вихідного імпульса.

1.6. За допомогою осцилографа визначте основні параметри імпульсів одновібратора. Результати занесіть в табл. 3.

Таблиця 3

Положення регулятора R3	Т	t_i
1(R3 max)

3(R3 min)

2.1. Значення шпаруватості розраховуйте за формулою q = Т/ t_i.

3.1. Користуючись даними табл. 1…3 розрахуйте яким чином залежить частота вихідних імпульсів від опору резистора RC - ланки мультивібратора.

4. Користуючись експериментальними даними та теоретичними відомостями підготуйте відповіді на індивідуальні завдання.

ЗАВДАННЯ

4.1. Поясніть принцип роботи мультивібратора із регульованою шпаруватістю та фіксованою частотою.

4.2. Наведіть діаграми роботи мультивібратора із регульованою шпаруватістю та фіксованою частотою в контрольних точках.

4.3. Доведіть, що мультивібратор із регульованою частотою та фіксованою шпаруватістю генерує на виході імпульсну послідовність із значенням шпаруватості q=2.

4.4. Наведіть варіант схеми одновібратора із ручним запуском.

4.5. Поясніть, від чого залежить тривалість імпульсу та паузи в мультивібратору на ОП.

4.6. Обчисліть, як зміниться частота імпульсної послідовності мультивібратора, якщо ємність конденсатора збільшиться в 2 рази (зменшиться в 3 рази).

4.7. Наведіть схему мультивібратора на ІМС із двома RC -колами, поясніть принцип роботи схеми.

4.8. Поясніть, як можна реалізувати мультивібратор на ОП з роздільними колами регулювання тривалості імпульсу та паузи.

4.9. Користуючись даними табл. 1 виведіть формулу для обчислення тривалості імпульсу для умови коли положення регулятора R3 – по серередині.

4.10. Вкажіть, чи зміниться частота імпульсної послідовності мультивібратора на ОП, якщо зміниться співвідношення резисторів в колі подільника позитивного зворотного зв’язку?

4.11. Вкажіть, чи зміниться амплітуда імпульсної послідовності мультивібратора на ОП, якщо зміниться співвідношення резисторів в колі подільника позитивного зворотного зв’язку?

5. Вимоги до оформлення звіту.

· Звіт необхідно оформити в текстовому редакторі MS WORD.

· Звіт повинен містити:

- титульну сторінку;

- мету роботи;

- схеми дослідів;

- таблиці з даними;

- епюри імпульсних послідовностей до кожного досліду;

- розрахунки параметрів згідно із індивідуальним завданням.

ДОДАТОК

В додатку наведена схема електрична принципова лабораторного макету.

Додаток 1.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 12

ТЕМА: Дослідження генератора лінійно змінної напруги.

МЕТА: Ознайомитись з принципом роботи та дослідити форму сигналу та визначити основні параметри генератора лінійно змінної напруги з різними генераторами струму.

ОБЛАДНАННЯ:

- лабораторний макет;

- осцилограф.

КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Генератори лінійно-змінної напруги (ГЛЗН), тобто напруги, що зростає пропорційно часу, знаходять широке застосування в радіоелектронних приладах. Вони використовуються, наприклад, у осцилографах для створення горизонтальної розгортки електронного променя. Такі періодичні імпульси лінійно-змінної напруги мають вигляд зубців пилки, тому подібні імпульси називають пилкоподібними (рис.1).

Створити імпульси за формою близькою до пилкоподібних можна за допомогою найпростішої схеми, зображеної на рис. 2а. Короткий позитивний прямокутний імпульс (1) відкриває транзистор, який постійно утримується в закритому стані негативною напругою . Цим імпульсом ємність повністю розряджається через відкритий транзистор. Після закінчення імпульсу (1) транзистор закривається, і ємність починає поволі заряджатися через опір від джерела за законом

(1)

Для досить малих проміжків часу експоненту можна розкласти в ряд, зберігаючи лише перші члени

(2)

Отже, обірвавши процес заряджання досить рано, при , можна одержати майже лінійне зростання напруги у часі, але ціною неповного використання напруги . Мірою відхилення закону зміни від лінійного є другий член у дужках виразу (2), який називають коефіцієнтом нелінійності .

Покращити форму імпульсів та наблизити їх до дійсно пилкоподібних можна застосувавши замість резистора деякий нелінійний опір, струм якого слабко залежить (в певних межах) від спаду напруги на цьому опорі, тобто елемент з великим диференціальним опором . Тоді струм, що заряджає ємність , буде майже незмінним і напруга на ній зростатиме пропорційно до часу

А коефіцієнт нелінійності дорівнюватиме . Таким нелінійним опором є генератор струму (може бути біполярний транзистор, увімкнений за схемою зі спільною базою, або в схемі струмове дзеркало, польовий транзистор ввімкнений як двополюсник).

ГЛЗН з позитивним зворотним зв’язком

Недоліком розглянутої вище схеми ГЛЗН є недостатня лінійність та порівняно вузькі межі вихідної напруги, у яких ця лінійність може вважатися задовільною. Тому для покращання лінійності генерованих імпульсів застосовуються спеціальні схеми зі зворотним зв’язком, наприклад, схема з позитивним зворотним зв’язком. Ідею роботи такої схеми можна зрозуміти з рис.3.

Ця схема подібна до попередньої, тільки тепер заряджання ємності відбувається від джерела постійної напруги та послідовно увімкненого з ним джерела змінної напруги , яке повторює величину напруги на ємності . Тепер при зростання напруги настільки ж зростає і напруга, що його заряджає. Спад напруги на опорі підтримується незмінним і рівним , отже і струм , що через нього буде текти та заряджати ємність , буде також зберігатися незмінним. Реальна схема, що працює за цим принципом, зображена на рис.4.


Рис. 4.

У початковому стані транзистор , що виконує роль ключа, відкритий і знаходиться у насиченому стані. Комутуючий діод відкритий. Початкова напруга на конденсаторі мала, так само як і вхідна і вихідна напруга емітерного повторювача, складеного на транзисторі . Конденсатор має велику ємність і заряджений майже до напруги через діод .

При поданні на вхід схеми негативного керуючого імпульсу тривалістю транзистор закривається, і конденсатор починає заряджатися від джерела через резистор і діод . Напруга на виході емітерного повторювача починає відповідно зростати. Ця зміна через ємність передається в точку «б», потенціал якої є сума напруг . В міру заряджання конденсатора потенціал точки «б» за абсолютною величиною стає більшим від , діод закривається, і конденсатор продовжує заряджатися через резистор вже від вихідної напруги емітерного повторювача та конденсатора , який завдяки своїй великій ємності працює просто як гальванічна батарея з ЕРС близької до .

При цьому зарядний струм зберігається майже незмінним, бо наскільки зростає напруга , настільки ж збільшується напруга . Це забезпечується тим, що коефіцієнт передачі емітерного повторювача близький до одиниці.

Коли ж напруга та наближатимуться до , колекторно-емітерна напруга живлення транзистора стає настільки малою, що емітерний повторювач перестає нормально функціонувати, і лінійність зростання порушується. На цьому процес створення лінійно-зростаючого імпульсу слід припинити, що і обумовлює потрібну тривалість вхідного керуючого імпульсу .

По закінченню вхідного імпульсу починається стадія відновлення, протягом якої конденсатор розряджається через відкритий транзистор . Наприкінці цього розряду діод відкривається і починається дозарядження конденсатора від джерела через діод та резистор . Після відновлення заряду на схема набуває свій попередній стан і готова до генерації наступного імпульсу.

Для кількісного аналізу роботи даної схеми ГЛЗН складемо вираз для зарядного струму ємності

Звідси низкою нескладних перетворень одержуємо диференціальне рівняння для

Його розв’язком буде

Одержаний вираз подібний до (1). Тільки тепер стала часу буде у разів більшою від попередньої. У стільки ж разів збільшується начебто і напруга, яка заряджає ємність . В результаті при тій же коефіцієнт нелінійності буде в разів меншим від попереднього. Так, наприклад, якщо взяти як типове для емітерного повторювача значення , то лінійність покращується в 20 разів.

ГЛЗН з негативним зворотним зв’язком

Іншим варіантом покращання роботи ГЛЗН є застосування негативного зворотного зв’язку.

Ідея роботи цієї схеми полягає в тому, що вихід підсилювача через конденсатор з’єднується з його входом (рис. 5). Вважається, що підсилювач має коефіцієнт підсилення і при тому інвертує фазу сигналу. Отже зворотний зв’язок через ємність буде негативним. Вхідний опір підсилювача вважається великим (струм на вхід підсилювача не відгалужується), а вихід залишається ненавантаженим.

Нехай конденсатор заряджається через опір від джерела напруги . При цьому зарядний струм має зменшуватися, а потенціал точки «а» підвищуватися. Але оскільки підсилювач інвертує вхідний сигнал, його вихідна напруга має зменшуватися. Це зниження через ємність передається в точку «а» і її потенціал має зменшуватися майже настільки ж, наскільки зростає напруга на ємності (бо .

В ідеалі, незважаючи на зміни напруги , потенціал точки «а» повинен ані збільшуватися, ані зменшуватися. Тоді і спад напруги на опорі має зберігатися незмінним, а отже і струм , що протікає через нього і ємність , має зберігатися незмінним і призводити до лінійності зростання у часі напруги . Все це може тривати доти, доки не наблизиться до такого низького рівня, що підсилювач перестає нормально функціонувати. На цьому процес лінійного зростання припиняється.

Ці міркування можна підтвердити нескладним розрахунком. Очевидно, що , а . Звідси випливає, що і при великих напруга майже не змінюється при змінах . Отже і струм зберігається майже незмінним при змінах , яке має при цьому зростає за лінійним законом.

Це забезпечується тим, що і при великих наскільки заряджається ємність, настільки ж зменшується потенціал точки «б» на виході підсилювача.

Вплив негативного зворотного зв’язку через ємність можна більш докладно проаналізувати, скориставшись визначенням для напруги .

З рис. 5. очевидно, що заряджувальний струм дорівнює

(3)

Оскільки ж , рівняння (3) перепишеться у вигляді [1]

Після певних спрощень останнього виразу одержуємо диференціальне рівняння для

Його розв’язком буде

Отже, і тут стала часу збільшується в разів, а заряджувальна напруга буде начебто у разів більшою від . Це призведе до відповідного зменшення коефіцієнт нелінійності у разів. Описана схема дозволяє одержувати імпульси лінійно змінної напруги, амплітуда яких майже дорівнює напрузі живлення . І при тому завдяки великому коефіцієнту підсилення мати коефіцієнт нелінійності менше одного відсотку.

ХІД РОБОТИ

1.1. Зберіть схему вимірювання параметрів найпростішого

1.2. Зафіксуйте частоту генератора G та зніміть осцилограми вихідної напруги ГЛЗН.

1.3. Під’єднайте резистор R2 паралельно до R1 та повторно зніміть осцилограми ГЛЗН.

1.4. За осцилограмами визначте, при якій амплітуді вихідної напруги ГЛЗН її вигляд відхиляється від лінійного закону не більш ніж на 10% при різних значеннях R. Результат занесіть до таблиці 1.

Таблиця 1

	R1	R1+ R2
U_ж
U_{вих ГЛЗН}(10%)
k_Uж

1.5. За формулою k_Uж = U_ж/ U_{вих ГЛЗН}(10%) розрахуйте та внесіть до таблиці 1 значення коефіцієнту використання напруги живлення.

2.1. Зберіть схему вимірювання параметрів ГЛЗН на основі генератора струму.

2.2. Зафіксуйте частоту генератора G та зніміть осцилограми вихідної напруги ГЛЗН.

2.3. Під’єднайте резистор R2 паралельно до R1 та повторно зніміть осцилограми ГЛЗН.

2.4. За осцилограмами визначте, при якій амплітуді вихідної напруги ГЛЗН її вигляд відхиляється від лінійного закону не більш ніж на 10% при різних значеннях R. Результат занесіть до таблиці 2.

Таблиця 2

	R1	R1+ R2
U_ж
U_{вих ГЛЗН}(10%)
k_Uж

2.5. За формулою k_Uж = U_ж/ U_{вих ГЛЗН}(10%) розрахуйте та внесіть до таблиці 2 значення коефіцієнту використання напруги живлення..

3.1. Користуючись даними таблиці 1, 2 та осцилограмами побудуйте, в одних координатах, один період вихідної напруги ГЛЗН для дослідів п.1 та п.2.

4. Користуючись експериментальною характеристиками виконайте дії, згідно із завданням до лабораторної роботи.

ЗАВДАННЯ

4.1.Вкажіть, які імпульси називають пилкоподібними? Чому в них така назва?

4.2.Вкажіть, за яким загальним принципом працюють генератори лінійно - змінної напруги?

4.3.Поясніть, чому у ГЛЗН, схема якого зображена на рис.2а, амплітуда генерованого імпульсу має бути набагато меншою від напруги живлення ?

4.4.Поясніть, як можна покращати форму імпульсів, генерованих схемою, що зображена на рис.2а?

4.5.Поясніть, до чого призведе заміна опору в схемі, зображеній на рис.2а на генератор струму?

4.6.Наведіть приклади реалізації генераторів струму на транзисторах, поясніть принцип їх дії.

4.7.Поясніть, в чому полягає принцип роботи ГЛЗН з позитивним зворотним зв’язком?

4.8.Поясніть, навіщо в схемі, зображеній на рис. 4а, потрібний діод ?

4.9.Поясніть, з яких міркувань обирається в цій схемі ємність ?

4.10. Доведіть, що струм, який заряджає ємність в схемі, зображеній на рис.7.5, зберігається майже незмінним у часі?