Порядок выполнения экспериментов

Лабораторная работа №4

Исследование мультивибратора на базе операционного усилителя

Цель работы: изучение принципов построения импульсных генераторов на базе операционного усилителя.

 

Общие сведения

 

Рис.4.1.

Рассмотрим мультивибратор на операционном усилителе. Работа мультивибратора основана на использовании компаратора.

Функция компаратора заключается в сравнении сигналов и (рис.4.1). При этом, если , то ; если , то . Если , то происходит переброс с на .

Операционный усилитель усиливает разность входных сигналов и , поданных соответственно на прямой и инверсный входы, поэтому изменение выходного сигнала будет в точке, где , т. е. . Таким образом, операционный усилитель с идеализированной характеристикой можно использовать для сравнения сигналов и . Подавая на прямой вход опорное напряжение получаем схему сравнения напряжений и (рис.4.2).

Рис.4.2.

 

 

Компаратор на операционном усилителе с положительной обратной связью(рис.4.3).

Вводим в операционный усилитель положительную обратную связь через резисторы и . Подаём на вход отрицательное напряжение , тогда ,

Рис.4.3.

, . При увеличении UВХ переброс компаратора будет в точке UВХ = UОП1. После переброса, UВЫХ = - , . Теперь, если уменьшать UВХ, переброс компаратора будет в точке . Таким образом, при увеличении UВХ компаратор перебрасывается в точке , а при уменьшении UВХ – в точке .

Переходный процесс подключения ёмкости под постоянное напряжение (заряд ёмкости) показан на рис.4.4.

Рис.4.4.

При подключении ёмкости под постоянное напряжение Uс изменяется по закону

, — постоянная времени.

Скорость изменения UС зависит от постоянной времени τ. Чем меньше τ, тем быстрее растёт напряжение на конденсаторе.

Схема и принцип действия мультивибратора (рис.4.5а и рис.4.5б). Работа мультивибратора основана на использовании компаратора на операционном усилителе с положительной обратной связью. К инверсному входу подключена ёмкость, напряжение на которой сравнивается с опорным напряжением компаратора.

Рис.4.5.

 

При равенстве напряжений компаратор перебрасывается в противоположное состояние и вновь происходит перезаряд ёмкости (рис.4.5,б).

Рассмотрим работу мультивибратора для трех моментов времени.

t = t1.. Пусть UВЫХ = - начинается заряд ёмкости.

t = t2. — переброс компаратора, + , — емкость перезаряжается.

t = t3. переброс компаратора.

Симметричный мультивибратор – это мультивибратор, у которого .

Частота следования импульсов мультивибратора

.

У несимметричного мультивибратора (рис.4.6) . Для создания такого мультивибратора необходимо сделать разные цепи перезаряда ёмкости, за счёт

использования двух параллельных ветвей в цепи заряда с разными сопротивлениями и встречно включёнными диодами:

Рис.4.6.

 

 

Экспериментальная часть

 

Порядок выполнения экспериментов

• Соберите схему компаратора (нуль органа) согласно схеме (рис.4.7). Регулирование входного напряжения U_вх осуществляется регулятором на переменном резисторе 1кОм. Измерение входного и выходного напряжений осуществляется мультиметрами на пределах 20 В.
• Снимите зависимость U_вых=f(U_вх) изменяя входное напряжение от минимального до максимального значения и заполните таблицу 4.1. Как можно точнее определите точку изменения выходного напряжения.

 

 

Таблица 4.1

Uвх, В
Uвых, В

 

 

Рис. 4.7.

• Введите положительную обратную связь как показано на рис.4.8.
• Повторите измерения и снимите зависимость U_вых=f(U_вх) изменяя входное напряжение сначала в прямом направлении (от –U_max до +U_max) а потом в обратном направлении (от +U_max до -U_max). Как можно точнее определите точки изменения выходного напряжения.

 

 

Рис. 4.8.

 

• Соберите схему мультивибратора. Для чего добавьте R-C цепь как показано на рис.4.9.
• С помощью осциллографа зарисуйте временные диаграммы выходного напряжения и напряжения на конденсаторе.
• Определите период и частоту выходного напряжения.

 

 

Рис. 4.9.

• Измените схему, включив параллельно резистору R диод, и зарисуйте временные диаграммы напряжений на выходе и на конденсаторе.

 

4.3. Контрольные вопросы:

1. Нарисуйте схему мультивибратора на операционном усилителе.
2. Как определяется частота колебаний мультивибратора?
3. Как реализуется несимметричный мультивибратор?