Лабораторна робота 3

«Дослідження імпульсних схем на операційних підсилювачах»

3.1 Мета роботи – вивчення побудови, принципу дії та характеристик типових імпульсних схем на операційних підсилювачах.

3.2 Основні теоретичні положення

3.2.1 Компаратори – це електронні пристрої, призначені для порівняння напруг. Схема найпростішого компаратора зображена на рис. 3.1

Рисунок 3.1 – Компаратор (а) та часові діаграми його роботи (б)

На рис3.1,а наведений випадок коли компаратор виконує порівняння сигналу Uвх з опорною напругою Uоп. Сигнал на виході ОП змінює полярність, коли ці напруги зрівнюються, як це показано на часових діаграмах роботи компаратора наведених на рис. 3.1, б.

3.2.2 Компаратор з гістерезисом (Тригером Шмідта) називають пристрій на операційному підсилювачі, що має гістерезисну вхідну характеристику (рис. 3.2).

де U₀⁺, U₀^- - пороги спрацьовування тригера

Рисунок 3.2 – Тригер Шмітта (а) та його вхідний сигнал (б)

Таким чином спрацьовування тригера відбувається при досягненні вихідною напругою значень порогів спрацювання.

3.2.3 Мультивібратор – це релаксаційний автогенератор напруги прямокутної форми (релаксаційний – такий, що різко відрізняється від гармонійного; автогенератор – пристрій, що генерує незатухаючі коливання без запуску ззовні і не має стійких станів)

3.3 Попереднє завдання

3.3.1 Вивчити роботу та характеристики компаратора, тригера Шмітта, мультивібратора, одновібратора та функціонального генератора, побудованих з використанням операційного підсилювача.

3.3.2 Накреслити електричні схеми досліджуваних електронних пристроїв.

3.3.3 Накреслити таблиці для експериментальних даних.

3.4 Завдання для експериментальних досліджень

3.4.1 Зняти передавальну характеристику компаратора U_вих=f(U_вх)

3.4.2 Визначити поріг спрацьовування та поріг відпускання тригера Шмітта.

3.4.3 Виконати дослідження мультивібратора та одновібратора.

3.4.4 Виконати дослідження дії функціонального генератора.

3.5 Порядок виконання експериментальних досліджень

3.5.1 Встановити на лабораторний стенд накладну панель за номером сім. На панелі управління натиснути кнопку сім перемикача «Номер роботи» та включити стенд.

3.5.2 Для побудови передавальної характеристики компаратора (схема якого показана на рис.3.3 знімають функціональну залежність U_вих=f(Е1). При цьому напруга Е2 на другому вході компаратора є незмінною, наперед заданою величиною. Під час експерименту перемикач S1 розімкнуто. Регулювання вхідних сигналів компаратора виконують ручками «Е1» і «Е2». Вимірювання вхідних сигналів здійснюють на сигнальних гніздах Х1, Х2. Контроль вхідного сигналу компаратора виконують на сигнальному гнізді Х3.

Встановити ручкою «Е2» фіксовані значення напруги: 0 В, +1 В, +2 В на другому вході компаратора (гніздо Х2). До виходу компаратора (гніздо Х3) підключити вхід осцилографа. Поступово змінюючи напругу на першому вході (гніздо Х1) ручкою «Е1» по обидві сторони від фіксованого значення величини Е2, спостерігати скачок із зміною полярності вихідної напруги компаратора. У момент скачка фіксують величину напруги Е1 на першому вході компаратора.

Результати вимірів записують до таблиці 3.1.

Таблиця 3.1 - Результати вимірів напруги на першому вході

Е2, В	Е1, В
0
1
+2

За даними таблиці накреслити графіки характеристик компаратора.

3.5.3 Визначення порогів спрацьовування Uсп та відпускання Uв тригера Шмідта виконують при фіксованій величіні напруги Е2 на другому вході та нажатій кнопці перемикача S1. Спочатку встановлюють напругу Е2=0. Ручку «Е1» встановлюють у крайнє ліве положення і заміряють максимальне значення вихідної напруги Uвих=U⁺. Поступово підвищують позитивне значення напруги Е1 та фіксують за допомогою осцилографа момент скачка вихідної напруги тригера до Uвих=U^-. У момент скачка фіксують положення ручки «Е1» і за допомогою цифрового вольтметра заміряють величину напруги Е1 та Uвих з урахуванням їх полярності. Заміряна величина напруги Е1 дорівнює порогу спрацьовування Uсп. Потім, поступово зменшуючи напругу Е1, фіксують момент скачка вихідної напруги тригера в іншу сторону, де Uвих=U⁺. Знову заміряють напругу Е1, яка тепер дорівнює порогу відпускання Uв тригера.

Далі встановлюють величину напруги Е2=+2 В і знову повторюють виміри напруг Uсп та Uв тригера.

Використовуючи експериментальні результати вимірів, будують передавальні характеристики тригера Шмітта, порівнюючи їх із розрахунками:

Uсп=Е2+а(U⁺-Е2); (3.1)

Uв=Е2+а(U^--Е2), (3.2)

де а=R1/(R2+R3), R1=R2=20 кОм, R3=68 кОм.

3.5.4 Дослідження мультивібратора виконують шляхом контролю форми та виміру параметрів осцилографа на контрольних точках (див. рис. 3.4). Для цього натискують на кнопку «Y1-Y4», з’єднують дротами сигнальні гнізда «Y1(І)» та Х8, «Y3» та Х5, «Y4» та Х7. Встановлюють однакові коефіцієнти підсилення каналів осцилографа (5 В/п). Використовуючи органи регулювання осцилографа та ручки стенда «Y1», «Y2» та «→», встановлюють на екрані контрольовані сигнали, які потім замальовують.

За допомогою осцилографа заміряють період Т1 коливань вихідної напруги мультивібратора. Натискують на кнопку перемикача S2 і знову заміряють величину періоду коливань. Одержані експериментальні дані порівнюють з розрахунками

(3.3)

де R1=10 кОм, R2=1 кОм, R3=3 кОм, С1=С2=0,047 мкФ.

Для переводу мультивібратора в очікувальний режим (режим одновібратора) натискують на кнопку перемикача S3. Заміряють з урахуванням полярності величину вихідної напруги Uвих. Подають на вхід схеми запускаючі імпульси від джерела Еги. Для цього з’єднують дротом сигнальні гнізда Х5 і Х7. З’єднують також між собою сигнальні гнізда «Y1(І)» та Х8, «Y3(ІІ)» та Х6, «Y4» та Х4 і контролюють осцилографом, як це робилось для автоколивального мультивібратора. Зверніть увагу на те, що на сигнальному гнізді Х4 (Х7) форма запускаю чого імпульсу має ступеневе спотворення, яке є результатом спрацьовування мультивібратора.

Рисунок 3.3 – Схема компаратора та тригера Шмітта

Рисунок 3.4 – Схема мультивібратора та одновібратора

Рисунок 3.5 – Схема функціонального генератора

За допомогою осцилографа заміряють тривалість імпульсу t₁₁ одновібратора.

Натискують кнопку перемикача S2 і заміряють тривалість імпульсу t₁₂. Результати експерименту порівнюють з розрахунком

(3.4)

Параметри елементів схеми такі як і у коливального мультивібратора.

3.5.5 Схема функціонального генератора (див. рис. 3.5) побудована на двох операційних підсилювачах. На першому з них (DA1) реалізована схема інтегратора, а на другому (DA2) – тригера Шмітта. Генератор має два виходи. На виході операційного підсилювача DA1 генерується напруга трикутної форми, а на виході операційного підсилювача DA2 – напруга прямокутної форми. Коли інвертуючий вхід операційного підсилювача DA2 є загальною шиною схеми, то пороги спрацьовування та відпуску тригера Шмітта визначаються співвідношенням R2/R3. Це співвідношення визначає амплітуду та частоту коливань вихідної напруги.

За допомогою осцилографа досліджують сигнали на контрольних точках схеми. Для цього натискають кнопку перемикача «Y1-Y4», з’єднують дротами сигнальні гнізда «Y1(І)» і Х10, «Y3(ІІ)» і Х9.

Підсилення обох каналів осцилографа встановлюють 5В/п. Користуючись ручками вертикального відхилення променів осцилографа та ручкою «→», встановлюють на екрані контрольовані сигнали, які потім замальовують. За допомогою осцилографа заміряють період коливань Т1 генератора. Натискають кнопку перемикача S4 і знову заміряють новий період коливань Т2. Одержані експериментальні результати порівнюють з розрахунками

Т=4·(R1·R2·C)/R3, (3.5)

де R1=R2=10 кОм, R3=15 кОм, С1=С2=0,027 мкФ.

Далі визначають похибку між експериментом та розрахунками.

Дати пояснення джерела похибки.

3.6 Контрольні питання

3.6.1 Що таке компаратор? Пояснити принцип роботи.

3.6.2 Пояснити принцип дії тригера Шмідта.

3.6.3 Яку функцію виконує мультивібратор? Пояснити відмінність між

мультивібратором та одновібратором.

3.6.4 З яких частин складається функціональний генератор. Сфера їх

застосування.

3.6.5 Пояснити принцип роботи інтегратора.