Описание схемы исследуемого устройства. Генератор сигналов треугольной формы.Наиболее простой способ получения сигналов треугольной формы основан на интегрировании сигнала прямоугольной формы
Генератор сигналов треугольной формы.Наиболее простой способ получения сигналов треугольной формы основан на интегрировании сигнала прямоугольной формы. Этот способ используется в схеме генератора, приведенной на рис. 6.1, а. Усилитель 
представляет собой инвертирующий интегратор со схемой смещения начального уровня, задаваемого потенциометром 
. Элементы интегратора 
и 
обеспечивают необходимую постоянную времени интегрирования t = . Выходное напряжение интегратора определяться соотношением 
= 
– 
/( ), где – напряжение смещения, задаваемое потенциометром ; – напряжение стабилизации двухполярного стабилитрона VD; – текущее время (время интегрирования). Варьирование номинала сопротивления обеспечивает изменение постоянной времени интегрирования t и угла наклона линейно изменяющегося напряжения.
Операционный усилитель 
используется в качестве компаратора. Сопротивление 
обеспечивает задание напряжения 
, с которым сравнивается выходное напряжение интегратора . Выходной сигнал ОУ в режиме компаратора имеет два уровня + 
и – , которые определяются уровнями насыщения операционного усилителя. Состояния определяются условием:
если 
> 
, то 
= + ;
если < , то = – ,
где и – напряжения соответственно на неинвертирующем и инвертирующем входах ОУ , = .
Изменение угла наклона линейно изменяющегося напряжения влияет на момент времени срабатывания компаратора , а следовательно, будет определять частоту следования импульсов треугольной формы. Двухполярный стабилитрон VD предназначен для формирования стабильных по напряжению уровней напряжения ½ 
½ = ½ 
½= взамен уровней + и – , которые подвержены температурному дрейфу и существенно зависят от напряжений питания операционного усилителя +Е и –Е.
Падение напряжения на сопротивлении R1 будет постоянным и равным . Использование глубокой отрицательной обратной связи в приводит к тому, что ток заряда конденсатора С будет постоянным. Это вызовет линейное изменение выходного напряжения ОУ: = 
= 
t/C, где = – / – ток заряда конденсатора С.
 |
Рис. 6.1. Генератор сигналов треугольной формы:
а – функциональная схема; б – временные диаграммы работы устройства
Сигнал с выхода ОУ через потенциометр 
подается на неинвертирующий вход ОУ . Сопротивления 
и образуют потенциометрический делитель напряжения, задающий напряжение на неинвертирующем входе ОУ :
= ( – ) /( + ).
Резистор устанавливает коэффициент деления сигнала и поэтому задает амплитуду сигнала треугольной формы 
(рис. 6.1, б). Симметрия выходного сигнала относительно нулевого уровня обеспечивается подстройкой потенциометра .
Для пояснения работы схемы рассмотрим один цикл ее функционирования. Допустим, что ОУ находится в состоянии 
= + . В этом случае на стабилитроне VD будет напряжение + . Сопротивление 
задает необходимый ток стабилизации стабилитрона VD: 
= ( –
– )/ . Ток, протекающий через сопротивление , равен току заряда конденсатора С, так как входное сопротивление ОУ достаточно велико. Так как в ОУ используется глубокая отрицательная обратная связь, то 
»
» 
» 0 и = . Выходное напряжение ОУ является линейно убывающим, поэтому на неинвертирующем входе ОУ также появится линейно убывающее напряжение 
, которое будет изменяться от уровня ( + ) /( + ) до уровня 
= 
= E ( - 2 
)/ , где – часть сопротивления , определяемая положением его подвижного электрода. Как видно из приведенного соотношения, напряжение сравнения может изменяться в диапазоне от + E до –E. При достижении напряжением уровня компаратор изменит свое состояние. На его выходе установится напряжение 
= – , а на стабилитроне VD – напряжение . Это напряжение изменит направление тока заряда конденсатора С и вызовет появление линейно нарастающего напряжения на выходе ОУ . Это напряжение будет нарастать до тех пор, пока напряжение на неинвертирующем входе не достигнет уровня сравнения = .
Таким образом, в зависимости от состояния компаратора на входе интегратора А2 с помощью стабилитрона VD будет задано напряжение амплитудой либо + , либо – . В зависимости от полярности этого напряжения конденсатор С будет либо заряжаться, либо разряжаться постоянным током, что вызовет на выходе ОУ появление линейно нарастающего либо линейно убывающего напряжения .
Генератор пилообразного напряжения. Для генерации сигналов пилообразного напряжения можно использовать ранее рассмотренную схему, несколько модернизировав ее. Функциональная схема такого генератора представлена на рис. 6.2, а. Отличие этой схемы от ранее рассмотренной заключается в обеспечении различных токов заряда и разряда конденсатора С, что приводит к изменению угла наклона линейно нарастающего и линейно убывающего участков сигнала треугольной формы. Линейно нарастающий участок сигнала формируется за счет тока заряда конденсатора, обусловленного источником питания –Е. Значение тока задается резистором : 
= Е/ .Ток разряда будет протекать, когда ОУ окажется в состоянии =
= + . В этом случае на стабилитроне VD1 установится напряжение + , диод VD2 будет открыт. Сопротивление задает ток 
,которыйв сумме равен току разряда конденсатора С и току, протекающему через сопротивление . Если обеспечить условие << , то ток будет значительно больше тока 
и практически равен току разряда 
:
<< = / » .
Во всем остальном схема работает аналогично схеме генератора сигналов треугольной формы. Управлять симметрией здесь не требуется, так как предполагается, что выходной сигнал асимметричен. Если конденсатор С разряжается через недостаточно быстро (из-за ограниченности выходного тока ОУ ), для увеличения угла наклона обратного участка пилообразного напряжения можно использовать транзисторный усилитель по схеме с общим коллектором, который необходимо подключить к выходу ОУ . Такой усилитель в b раз усилит выходной ток ОУ (b – коэффициент усиления тока базы). Амплитуда пилообразного сигнала (напряжение размаха) будет определяться соотношением = 2 (1/К – 1), где К – коэффициент деления (обратной связи), определяемый сопротивлениями и .
Идея обеспечения различных токов заряда-разряда конденсатора С для изменения угла наклона нарастающего и ниспадающего участков пилообразного напряжения позволяет предложить и другие модификации схемы генератора. Например, если вместо симметричного двухполярного стабилитрона VD1 использовать два стабилитрона 
и 
, включенных разнополярно, то токи заряда-разряда конденсатора С будут определяться сопротивлением и напряжениями стабилизации + 
и – 
стабилитронов и .
 |
Рис. 6.2. Генератор линейных пилообразных сигналов:
а – функциональная схема; б – временные диаграммы работы устройства
Во всех рассмотренных ранее схемах генераторов пилообразного напряжения и сигналов треугольной формы компаратор на ОУ совместно со стабилитроном VD1 формирует импульсы заданной амплитуды и длительности, которые подаются на вход интегратора. Можно предложить различные модификации генераторов линейно изменяющегося напряжения, состоящих
из генераторов импульсов (автоколебательного мультивибратора, блокинг-генератора) и интегратора со сбросом. Скважность таких формируемых импульсов должна быть больше 10, чтобы импульсы малой длительности обеспечивали бы быстрый разряд конденсатора интегратора через цепь электронного ключа, замыкающего электроды конденсатора.
Порядок выполнения работы
1. Построить на макетном поле генераторы сигналов треугольной формы и пилообразного напряжения по схемам, приведенным на рис. 6.1 и 6.2, с номиналами элементов, предложенными преподавателем.
2. Подстройкой сопротивлений , , и сформировать сигнал треугольной формы с амплитудой 5 В и частотой 1,5 кГц, симметричный относительно нуля.
3. Подстройкой сопротивлений и сформировать сигнал пилообразного напряжения с амплитудой 8 В, периодом следования 10 мс и длительностью обратного хода не более 0,1 мс.
4. Определить экспериментально предельные значения частоты следования и амплитуды формируемых сигналов.
5. Предложить модификации схем генераторов пилообразного напряжения, собрать схемы на макетном поле и определить экспериментально характеристики предложенных схем.
Содержание отчета
1. Функциональные схемы генераторов с указанием типов используемых микросхем, номиналов элементов.
2. Временные диаграммы сигналов, формируемых на выходе компаратора ОУ , стабилитроне 
и выходе интегратора .
3. Расчеты частоты следования импульсов, формируемых генераторами сигналов треугольной формы и пилообразного напряжения.
4. Таблицы с экспериментальными данными измерения характеристик импульсов.
5. Выводы о достоинствах и недостатках рассмотренных схем генераторов сигналов.
Контрольные вопросы
1. Сформулируйте принцип работы генератора сигналов треугольной формы.
2. Опишите принцип работы генератора пилообразного напряжения.
3. В чем сходство и различие схем генераторов сигналов треугольной формы и пилообразного напряжения?
4. Назовите основную функцию операционного усилителя в генераторе сигналов треугольной формы.
5. Какие элементы схем генераторов влияют на угол наклона сигналов треугольной формы и пилообразного напряжения?
6. Какие элементы схем генераторов влияют на временные параметры формируемых сигналов?
7. Какие изменения в формируемом сигнале треугольной формы вызовет изменение напряжения на инвертирующем входе ОУ ?
8. Почему усилитель на рис. 6.2 должен иметь высокую скорость нарастания выходного сигнала?
9. Чем определяется максимальная частота выходных сигналов, формируемых рассмотренными устройствами?
10. Зачем необходимы стабилитроны 
и в схемах генераторов напряжения сигналов треугольной формы и пилообразного напряжения?
Лабораторная работа № 7