Работа № 6. Исследование мультивибратора на ОУ

Цель работы: дать навыки по расчету и использованию мультивибраторов на основе ОУ.

Рис. 44

Операционные усилители используются для создания автогенерирующих мультивибраторов с повышенной стабильностью генерируемого сигнала. Принципиальным для автогенераторов является наличие положительной обратной связи (ПОС), т. е. подачи части выходного сигнала на неинвертирующий вход ОУ (триггер Шмитта). Схема мультивибратора на ОУ показана на рис. 43, а временные диаграммы, поясняющие ее работу – на рис. 44.

Положительная обратная связь осуществляется цепочкой R2, R3. Амплитуда выходного напряжения практически равна напряжению питания (Е_п). Напряжение на неинвертирующем входе ОУ (U _пор) совпадает по форме с выходным напряжением и определяется как

где ;

U _вых_max – максимальное выходное напряжение ОУ, не охваченного отрицательной обратной связью (рис. 2).

Рис. 43

Согласно правилу I e _н» е _и. Следовательно, усилитель меняет состояние выхода, когда напряжение на конденсаторе С достигает значения ± U _пор. В остальное время конденсатор С перезаряжается в обеих полярностях током, протекающим через R1. Таким образом, постоянная времени схемы равна R ₁ C. Поскольку конденсатор может заряжаться до напряжения + U _пор или – U _пор, полярность выходного напряжения меняется при этих значениях напряжения. Длительность импульса определяется выражением:

Если выходной сигнал симметричен относительно нуля, то t ₁ = t ₂ (рис. 20) и период импульсов будет

Порядок выполнения работы

1. Выбрать сопротивление резисторов R1, R2, R3 в диапазоне (1...100) кОм таким образом, чтобы R ₂» R ₃.

2. Выбрать конденсатор С и рассчитать t ₁ по формуле

3. Рассчитать ошибку, вносимую погрешностями внешних цепей (R1, R2, R3, C):

считая допустимые отклонения для сопротивлений резисторов, равными 5%, а емкости конденсатора – 10%.

Рис. 45

Проверить расчеты с помощью программы MathCAD, приведенной на рис. 45.

При совпадении результатов расчета с проверкой перейти к проверке результатов расчета на модели мультивибратора. В противном случае повторить расчет.

Модель мультивибратора показана на рис. 46а, а результаты моделирования – на рис. 46б. Если результаты расчета и моделирования совпадают, перейти к экспериментальной части работы.

4. Собрать схему (рис. 43). Включить питание стенда и наблюдать и _вых. Измерить значение t ₁ с помощью осциллографа. Сравнить измеренное значение с расчетным, вычислить D t ₁ = t _1расч – t _1изм и сравнить с расчетным значением D t ₁.

5. Зарисовать осциллограммы напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах и выходе ОУ – и _и(t), и _н(t), и _вых(t) – в одном масштабе времени и напряжения. Отключить питание стенда.

Рис. 46

Рис. 47

Исследование схемы мультивибратора при изменении порогового напряжения. Пороговое напряжение будем изменять с помощью напряжения датчика сигнала (U _c), подключенного к R4 (рис. 47).

Пороговое напряжение определяется как

;

Находим длительности импульса (t ₁) и паузы (t ₂) (рис. 30):

;

Период импульсов будет T = t ₁ + t ₂.

Проверку расчетов провести с помощью программы MathCAD, приведенной на рис. 48 при U _c = 0. Зависимости u _С(t) и u _вых(t) для U _с = –3 В показаны на рис. 49а, для U _с = 3 В – на рис. 49б.

При совпадении результатов провести моделирование схемы (рис. 47). Схема модели мультивибратора с изменяемым пороговым напряжением показана на рис. 50а. Результаты моделирования при U _с = 0 В показаны на рис. 50б, а при U _с = –3 В и U _с = 3 В – на рис. 51а и б соответственно.

Графики зависимостей k _з = f (U _с) и f = j(U _с), полученные с помощью программы MathCAD, показаны на рис. 52, а с помощью моделирования – на рис. 53.

После проверки результатов расчета перейти к экспериментальной части.

6. Собрать схему (рис. 47). Включить питание стенда. Вращая ручку датчика сигнала, наблюдать изменение интервалов t ₁ и t ₂.

7. Изменяя напряжение датчика сигнала (U _c) в диапазоне от –5 В до +5 В, снять зависимость коэффициента заполнения (k _з = t ₁/ T; Т – период выходного напряжения) и зависимость частоты выходного напряжения от уровня порогового напряжения: k _з = f (U _с) и f = j(U _с). Временные интервалы t ₁ и T измерять с помощью осциллографа, а U _c вольтметром В7-27. Результаты занести в таблицу 4.