5.3. Задание на проведение исследований

1. Рассчитайте частоту генерации и элементы делителя напряжения для схем с мостом Вина и с Т-образным фильтром.

2. Поочередно соберите исследуемые схемы. Не подключая сопротивление нагрузки, добейтесь синусоидальной формы выходного сигнала, измерьте частоту генерации и сопротивления резисторов делителя. Сравните результаты эксперимента с расчетом.

3. Не изменяя настройки схемы, проконтролируйте изменение амплитуды и формы выходного сигнала генераторов от подключаемого сопротивления нагрузки.

5.4. Содержание отчета

Отчет должен содержать исследуемые схемы, расчет частоты генерации и элементов делителя напряжения для обеих схем, графики зависимостей амплитуды и формы выходного сигнала генераторов от подключаемого сопротивления нагрузки, сравнение экспериментальных значений с расчетными, выводы.

5.5. Вопросы для самопроверки

1. Почему исследуемые RС-генераторы создают колебания именно на частоте f₀ = 1/2RC?

2. Почему форма и амплитуда выходных колебаний сильно зависят от параметров делителя в цепи обратной связи?

3. В чем причина низкой стабильности амплитуды выходного сигнала в исследованных схемах?

4. Из каких соображений следует выбирать общее сопротивление цепочки делителя R₁, R₂?

5. Возможно ли использование в данных генераторах вместо полосовых фильтров двухзвенных фильтров верхних или нижних частот?

Лабораторная работа №6 исследование генератора линейно изменяющегося напряжения и аналогового мультиплексора

Цели работы - ознакомится с характеристиками и применением аналогового коммутатора в схеме генератора линейно изменяющегося напряжения, использующего интегратор на операционном усилителе.

6.1. Исходные данные

1. В лабораторной работе используются ОУ типа TL072 и аналоговый коммутатор КР590КН9. Основные сведения по данным элементам приведены в приложении.

2. Для питания схем следует использовать стабилизированные напряжения U_п1 = +15 В и U_п2 = –15 В. Общая точка источников питания должна быть соединена с общей точкой исследуемой схемы.

3. На вход схемы подаются импульсы прямоугольной формы от генератора специальных сигналов.

4. Контроль формы и амплитуды выходного сигнала осуществляется с помощью осциллографа.

6.2. Основные теоретические сведения

Аналоговый коммутатор служит замыкания или размыкания цепи электрического сигнала. Если коммутатор находится в состоянии «включено», его проходное сопротивление должно, по возможности, быть равным нулю; если же коммутатор находится в состоянии «выключено», то его сопротивление должно стремиться к бесконечности.

Прогресс в технике полевых транзисторов с изолированным затвором MOSFET (MOS FIELD – EFFECT TRANSISTOR) открыл возможность для создания высококачественных коммутаторов аналоговых сигналов. Входное сопротивление цепи управления данными транзисторами составляет около 10¹² Ом. Сопротивление исток – сток MOSFET транзистора зависит от напряжения между затвором и подложкой (U_зп). В частности, для n-канального транзистора обогащенного типа, если U_зп = 0, то сопротивление исток – сток становится очень большим, более 10¹⁰ Ом. Тогда можно считать такой транзистор разомкнутым ключом. Если же установить U_зп достаточно большим, обычно U_зп > 10В, тогда сопротивление исток – сток у мощных полевых транзисторов становится менее 1 Ом и можно считать, что ключ замкнут (рис. 6.1, а). В p-канальном транзисторе замыкание ключа произойдет точно так же, если между затвором и подложкой подать отрицательное напряжение порядка – 10 В (рис. 6.1, б).

На рис. 6.1 входной сигнал U_вх прикладывается к истоку транзистора, а выходной сигнал U_вых снимается со стока. В положении (1) переключателя транзисторный ключ заперт и U_вых = 0 независимо от значения входного напряжения U_вх. В положении (2) переключателя транзистор находится в проводящем состоянии и тогда U_вых = U_вх. Благодаря тому, что затвор и подложка питаются от двух источников с напряжением противоположного знака, через ключ будут проходить сигналы как положительной, так и отрицательной полярности относительно общей точки источников питания.

Важно лишь, чтобы амплитуда входного сигнала на превышала бы уровень напряжения на затворе и на подложке.

Объединение нескольких ключей в параллельные группы с независимыми входами, с общей цепью управления и единым выходом приводит к образованию аналогового мультиплексора, т.е. устройства, осуществляющего выборочную, управляемую коммутацию нескольких входов на общий выход. Данное устройство находит широкое применение в телефонии, а в измерительной технике позволяет поочередно присоединять к входам усилительных или преобразовательных устройств сигналы от различных источников. Теоретически и практически оказывается возможным использовать аналоговый мультиплексор в качестве демультиплексора, т.е. устройства, осуществляющего поочередную, управляемую коммутацию сигналов с общего входа на несколько выходов.

Рис. 6.1. Аналоговые коммутаторы на полевых транзисторах с

изолированным затвором: n-канальный (а) и p-канальный (б)

Вследствие своей неидеальности аналоговые коммутаторы вносят погрешности в обрабатываемые сигналы. Источниками погрешностей электронных аналоговых коммутаторов являются:

- ненулевое проходное сопротивление электронного ключа во включенном состоянии и конечная его величина в выключенном;

- остаточное падение напряжения на замкнутом ключе, т.е. наличие напряжения на ключе при отсутствии тока через него;

- нелинейная зависимость сопротивления ключа от напряжения (тока) на информационном и управляющих входах;

- взаимодействие управляющего и коммутируемого сигналов;

- ограниченный динамический диапазон (по амплитуде и по знаку) коммутируемых токов и напряжений.

Интегратор на ОУ (рис. 6.2), называемый также схемой Миллера, содержит в цепи отрицательной обратной связи конденсатор С. Поскольку ток, ответвляющийся во вход ОУ ничтожно мал, а в линейном режиме усиления при характерных для ОУ значениях k_u ≥ 100 000 разность потенциалов между входами ОУ не превышает 10^–5… 10^–6 от U_вых, то без существенной ошибки можно принять потенциал инвертирующего входа ОУ равным потенциалу неинвертирующего входа, т. е. равным нулю. Но этот ноль является виртуальным, возникающим в результате деления с помощью RC-цепочки двух напряжений противоположного знака: U_вх и U_вых. Из единства тока, протекающего через R и C, вытекает равенство:

U_вх/ R = – C(dU_вых/dt). (6.1)

Решая относительно U_вых, получим:

(6.2)

И з формулы (6.2) видно, что схема действительно является интегратором. Если на вход интегратора подать прямоугольные импульсы переменного знака типа “меандр” с амплитудой U_m и длительностью t_и, то на выходе интегратора возникнет напряжение пилообразной формы. В период воздействия на вход схемы плоской вершины импульса ток через RC-цепочку должен быть неизменным, т.е. в формуле (6.1) dU_вых/dt = const . Заменяя значение производной отношением приращения ΔU_вых к t_и, получим простое выражение для инженерного расчета генератора пилообразного напряжения на ОУ:

U_m/RC = – ΔU_вых/ t_и. (6.3)

Обычно амплитуда входного напряжения U_m и длительность линейно изменяющейся стадии выходного напряжения, совпадающая с t_и, являются исходными величинами. Амплитуда ΔU_вых также должна быть задана. При задании амплитуды следует иметь в виду, что ОУ должен работать в линейном режиме усиления, т. е. не входить в область насыщения выходного сигнала. Для этого рекомендуется при U_п = ±15 В задавать ΔU_вых не более 6...7 В. В итоге произведение RC становится известным. Остается лишь выбрать конкретные значения R и C. Если не учитывать ток, ответвляющийся в нагрузку схемы, то амплитуда выходного тока ОУ должна быть равна U_m/R. Предельно допустимый выходной ток ОУ известен из справочных данных. Отсюда может быть рассчитано минимально-допустимое значение R для выбранного типа ОУ. Существует также ограничение на максимальное значение R. Для обеспечения стабильности параметров схемы ток, определяемый отношением U_m/R, должен многократно превышать значение входного тока ОУ. Обычно это выполняется, если R менее 1 МОм.