Краткая справка по теории

Лабораторная работа 7

ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ УТРОЙСТВ

Цель работы: закрепить теоретические знания, исследовать переходные процессы в схемах импульсных устройств, совершенствовать навыки в практическом применении электронных приборов.

Краткая справка по теории

Импульсными называются устройства, выполняющие генерацию и обработку импульсных сигналов. При генерации и обработке импульсных сигналов различной формы необходимо формирование интервалов времени, задающих длительность импульсов и пауз, частоту повторения, форму импульсов и т.п. Эти задачи решается с помощью формирующих цепей, содержащих реактивные элементы.

Наиболее простыми и надежными являются RC-цепи. Они разделяются на прямые и обращенные. Прямые RС -цепи применяются в качестве разделительных (передаточных) и дифференцирующих, а обращенные – в качестве интегрирующих цепей.

Закон изменения напряжения на выходе любой RC -цепи определяется зарядом или разрядом конденсатора С через сопротивление резистора R.

,

где t_ц = R×C – постоянная цепи.

Разделительная цепь должна передавать импульс от входа к выходу с возможно меньшими искажениями его формы. Чтобы прямая цепь выполняла такие функции необходимо обеспечить условие

(2.7.1)

Дифференцирующая цепь предназначена для деления импульсов или для выделения их фронта и среза. Эта задача обратная ранее рассмотренной. Для такой цепи необходимо соблюдение условия

(2.7.2)

Обращенная цепь используется в качестве линейного накопителя, если τ_и << τ_ц. Благодаря такой функции она называется интегрирующей. В общем случае напряжение на выходе интегрирующей цепи изменяется по экспоненциальному закону. Напряжение на выходе цепи достигает значения входного, если τ_и ≈ 4,66 τ_{ц .}.

Среди различных импульсных устройств видное место занимают электронные ключи ( коммутаторы цепей или их участков ). Через идеальный разомкнутый ключ ток не протекает. Напряжение на идеальном замкнутом ключе равно нулю. Смена состояния ключа происходит под действием сигналов, подаваемых на один или нескольких входов.

Наиболее широкое применение в качестве электронных ключей нашел транзисторный каскад по схеме с ОЭ в классе усиления D (т.е. в ключевом режиме). Схема такого каскада приведена на рис. 2.7.1.

В ключевом режиме транзистор может находиться в одном из двух состояний – в состоянии отсечки или в состоянии насыщения. В состоянии отсечки ключ разомкнут. Через транзистор протекает только малый обратный ток Iкэ₀.

Чтобы транзисторный ключ находился в разомкнутом состоянии, необходимо выполнить условие

, (2.7.3)

откуда

. (2.7.4)

Когда транзистор находится в состоянии насыщения, электронный ключ замкнут. Через транзистор протекает ток насыщения, значение которого ограничивается резистором R_к

. (2.7.5)

Выражение (2.7.5) используется для расчета значения R_к.

Условие насыщения транзистора имеет вид

. (2.7.6)

Выражения(2.7.4), (2.7.5) и (2.7.6) позволяют выполнить расчет электронного ключа.

Среди генераторов импульсных сигналов широкое применение находят мультивибраторы и генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН).

Мультивибратором называется генератор периодически повторяющихся прямоугольных импульсов. Мультивибраторы могут работать в ждущем режиме, в режиме автоколебаний или в режиме синхронизации. Схема мультивибратора на ОУ, работающего в автоколебательном режиме и графики напряжений, поясняющие его работу, приведены на рис. 2.7.2.

Аналитические выражения, определяющие временные параметры генерируемых импульсов, имеют вид:

– для длительности импульса

, (2.7.7)

– для длительности паузы

(2.7.8)

– для периода повторения

, (2.7.9)

– для скважности

(2.7.10)

Выражения (2.7.7) ÷ (2.7.10) позволяют определить способы регулировки частоты и скважности. Так, при регулировке частоты скважность не должна изменяться. Следовательно, частоту целесообразно регулировать изменением R₃ или R₄.

При регулировке скважности частота должна оставаться неизменной. Это значит, что R₃ и R₄, а также (R₁ + R₂) должны быть постоянными величинами. Отсюда следует, что для регулировки скважности R₁ и R₂ следует выполнять как составляющие одного потенциометра. Крайние точки такого потенциометра подключаются к диодам D₁ и D₂, а средняя – к инвертирующему входу ОУ.

Для создания разверток на экранах осциллографов и телевизоров, для преобразователей аналоговых величин в цифровые и для других целей используется напряжение пилообразной формы.

Схема ГЛИН, работающего в автоколебательном режиме, приведена на рис. 2.7.3, а. На рис. 2.7.3, б приведены диаграммы напряжений, поясняющие ее работу.

Схема включает в свой состав интегратор (ОУ₁, С, R₁, R₂, D₁, D₂) и компаратор (ОУ₂, Е₀). Цепь положительной обратной связи образована резисторами R₃, R₄. Величина U_ос постоянно сравнивается с порогом Е₀. В моменты равенства U_ос = Е₀ происходит переключение конденсатора из режима линейного заряда в режим линейного разряда или наоборот. На выходе ОУ₂ формируется линейно изменяющееся напряжение.

Пусть в момент времени t₁ = 0 компаратор перешел в состояние отрицательного насыщения. Его . Открывается диод D₂, и на интеграторе начинается формирование линейно нарастающего напряжения U_ГЛИН. Напряжение обратной связи U_ОС найдем методом суперпозиции:

(2.7.11)

где - линейно нарастающее напряжение U_ГЛИН.

В момент времени t ₂ наступает равенство U_OC = Е₀. Компаратор переключается, напряжение его на выходе скачком изменяется до . Напряжение обратной связи также увеличивается скачком до U_OCm, причем

(2.7.12)

На интеграторе начинается формирование линейно падающего напряжения. В момент t ₃ вновь выполняется условие (2.7.12) компаратор переключается, и далее процесс периодически повторяется.

Выражения (2.7.11) и (2.7.12) полезны для определения параметров параметров элементов схемы.

Задание на лабораторную работу

1. Выполнить исследование переходных процессов в RC цепях.

2. Провести исследование схемы электронного ключа на биполярном транзисторе.

3. Исследовать схемы генераторов импульсных сигналов.

Методические указания

1. Исследование переходных процессов в RC цепях.

Прямая RC-цепь.

Соберите схему по рис. 2.7.4.

Установите генератор в режим формирования прямоугольных импульсов амплитудой 5В, частотой 1 кГц, скважностью Q = 2. Боде-плоттер – в режим Magnitude, Lin, диапазон частот от 1Гц до 1МГц, диапазон амплитуд от 0 до 1. Осциллограф – в режим периодической развертки. Параметры R и С – по значениям, приведенным на рисунке. Включите схему.

Изменяя R от 0 до 5 кОм, найдите значения τ_ц, при которых цепь выполняет функции разделительной и дифференцирующей. Проверьте выполнение выражений (2.7.1) и (2.7.2). Включите большую панель Боде-плоттера и снимите АЧХ цепи. Сформулируйте выводы о соответствии результатов эксперимента теории.

Обращенная RC -цепь.

Приведите схему рис. 2.7.4. к виду рис. 2.7.5.

Режим работы измерительных приборов оставьте без изменений. Изменяя значение R от 0 до 5кОм, найдите значения τ_ц, при которых цепь выполняет функции линейного накопителя значение, соответствующее соблюдению равенства τ_ц = τ_и. Включите большую панель Боде-плоттера и снимите АЧХ цепи. Сформулируйте выводы о соответствии результатов эксперимента теории.

2. Исследование схемы электронного ключа на биполярном транзисторе.

Соберите схему по рис. 2.7.6.

Полагая R_к = 1кОм, I_кэо = 412μкА, Е_см = 1В, U_вх = 5В рассчитайте значение остальных элементов схемы по (2.7.4) и (2.7.6). Установите рассчитанные значения и включите схему. Убедитесь в нормальной работе ЭК.

Включите параллельно R_к конденсатор. Оцените влияние емкости нагрузки на работу ключа. Считая допустимым затягивание фронта импульса не более 0.3τ_и, экспериментально определите максимально допустимое значение емкости при частоте срабатывания ключа 1кГц.

В отчете представьте схему, результаты расчетов, осциллограммы напряжений, выводы о соответствии результатов эксперимента теории.

3. Исследование схем генераторов импульсных сигналов.

3.1. Исследование мультивибратора на ОУ в автоколебательном режиме.

Соберите схему мультивибратора по рис. 2.7.7.

Установите значения элементов схемы по примеру, приведенному на рисунке. По формулам (2.7.7.) ÷ (2.7.10) рассчитайте значения τ_и, τ_п, Т, Q. Включите схему и экспериментально определите эти параметры. Определите пределы регулирования параметров с помощью R₁ и R₄.

В отчете представьте схему, результаты расчетов, осциллограммы напряжений, выводы о соответствии результатов эксперимента теории.

3.2. Исследование ГЛИН на ОУ.

Соберите схему мультивибратора по рис. 2.7.8.

Установите значения элементов схемы по примеру, приведенному на рисунке. Экспериментально определите параметры напряжения на выходе генератора, сформулируйте выводы о соответствии результатов эксперимента теории.

Вопросы

1. 1. Приведите примеры применения импульсных сигналов для решения практических задач.

2. Перечислите основные параметры импульсных сигналов, приведите известные соотношения для их оценки.

3. На вход прямой RC цепи поступает прямоугольный импульс τ_и = 10^-3 С. Определите значение С, при котором цепь будет передавать импульс с минимальными искажениями, если R = 10 кОм.

4. Определите значение С, при котором прямая RC цепь будет дифференцировать импульс, если R = 10 кОм.

5. Докажите, что мощность, потребляемая электронными ключами, пренебрежимо мала.

6. Рассчитайте элемент R₁ для схемы рис. 2.7.1, если известно, что Е_к = 10 В, Е_СМ = 1,5 В, U_вх = 2, 5 В, β = 40 – 100, I_кэо = 50 мкА, I_кн = 9,5 мА.

7. Рассчитайте элемент R₂ для схемы рис. 25.1, б, если известно, что Е_к = 10 В, Е_СМ = 1,5 В, U_вх = 2, 5 В, β = 40 – 100, I_кэо = 50 мкА, I_кн = 9,5 мА.

8. Рассчитайте элемент R_к для схемы рис. 25.1, б, если известно, что Е_к = 10 В, Е_СМ = 1,5 В, U_вх = 2, 5 В, β = 40 – 100, I_кэо = 50 мкА, I_кн = 9,5 мА.

9. Перечислите возможные режимы работы мультивибраторов. Назовите их отличительные признаки.

10. Измените схему рис. 2.7.2 так, чтобы она позволяла регулировать скважность импульсов при неизменной частоте.

11. Как влияет на отношение τ_и / τ_п увеличение R₄?

12. Какой из параметров ОУ позволяет построить на его основе интегратор?

13. Как необходимо изменить значения R₃ и R₄ в схеме рис. 26.4, а для увеличения U_ГЛИН?

Дата добавления: 2015-07-19