RC-генератор на основе Г-образных RC-фильтров.

Одно звено Г- образного RC- фильтра позволяет осуществить фазовый сдвиг выходного напряжения относительно входного в предельном случае до p/2, и при построении генераторов гармонических колебаний используют как правило три последовательно включенных Г-образных фильтра.

При этом обеспечивается возможность фазового сдвига сигнала в цепи обратной связи равного p (по p/3 в каждом звене фильтра). И для обеспечения баланса фаз используются усилители сигналов, у которых выходной сигнал является противофазным входному, т.е. – инвертирующие усилители. В этом случае сдвиг фаз на p обеспечивается в усилителе и на p в канале обратной связи, что позволяет получить общий сдвиг фаз сигнала равным 2p и обеспечить требуемый баланс фаз.

При этом для построения генератора можно использовать любые схемы усилителей сигналов, обеспечивающие для выполнения баланса амплитуд требуемый коэффициент усиления К.

RC-генератор гармонических колебаний на основе двойного Т-образного моста.

Двойной Т-образный мост относится к заграждающим RC фильтрам, которые при обеспечении баланса моста обеспечивают большое затухание на частоте, определяемой используемыми RC-элементами. Если такой мост включить в цепь отрицательной обратной связи усилителя, то усилитель будет обладать максимальным коэффициентом усиления на частоте баланса моста, т.е. превратится в избирательный усилитель.

Вводя в такой усилитель цепь положительной обратной связи, даже не обладающей частотной избирательностью, можно добиться выполнения баланса амплитуд и фаз, превратив избирательный усилитель в генератор гармонических колебаний.

RC-генератор гармонических колебаний с мостом Вина.Основой таких генераторов является мост Вина, обладающий избирательными свойствами на частоте баланса моста.

Мост Вина представляет собой последовательно включенные две RC – цепи: последовательную и параллельную (рис. 1), состоящие из одинаковых сопротивлений R и емкостей С, при этом входной сигнал u_вх на мост Вина подается между внешними клеммами всей последовательной цепи, а выходной сигнал u_вых снимается с параллельной RC-цепи.

Частоту f₀ баланса моста Вина можно определить, используя выражение (4):

f₀ = . (4)

На частоте баланса моста фазовый сдвиг сигнала равен нулю, а коэффициент передачи ₀ цепи моста Вина равен:

b₀ = = , (5)

На основе моста Вина с использованием операционного усилителя DA₁ можно построить практическую схему генератора синусоидального напряжения (рис. 2).

Здесь в качестве усилителя сигнала используется масштабный усилитель, образованный операционным усилителем DA₁ и резисторами R₁, R₂, включенными в цепь отрицательной обратной связи усилителя (с выхода усилителя 6 на инвертирующий вход 2).

Мост Вина, образованный одинаковыми элементами С₁ = С₂ и R₃ = R₄ включен в цепь положительной обратной связи усилителя (с выхода усилителя 6 на неинвертирующий вход 3).

Коэффициент усиления масштабного неинвертирующего усилителя (для неинвертирующего входа 3 подключения цепи обратной связи) можно определить в соответствии с выражением (6):

К = 1 +

Для обеспечения баланса амплитуд в соответствии с выражениями (5), (6) необходимо выполнить условие:

Кb_ = (1 + ) = 1. (7)

или R₂ = 2R₁. (8)

В реальной схеме генератора, чтобы выходное напряжение генератора u_вых отличалось от нуля необходимо для соблюдения баланса амплитуд выбирать значение Кb_ ³ 1.

С учетом этого условие (8) перепишется в виде:

R₂ ³ 2R₁. (9)

При выполнении условия (9) в процессе работы генератора амплитуда выходного сигнала постепенно будет увеличиваться и дойдет до значения, при котором напряжение на выходе генератора будет отличаться от синусоидального.

Чтобы этого на происходило в генераторы синусоидального сигнала вводят элементы автоматической стабилизации амплитуды. Практическая схема генератора синусоидального напряжения с системой стабилизации амплитуды, выполненной на двух диодах VD₁, VD₂ приведена на рис. 3.

Работа системы стабилизации амплитуды основана на зависимости дифференциального сопротивления диодов от приложенного к диодам напряжения.

При изменении амплитуды выходного напряжения генератора будет изменяться дифференциальное сопротивление диодов, которое включено последовательно с резисторами R_2.1, R_2.2 в цепь отрицательной обратной связи, что приведет к изменению коэффициента усиления усилителя. Пусть амплитуда выходного сигнала возросла. При этом дифференциальное сопротивление диодов уменьшается, а следовательно, и уменьшается коэффициент усиления, что приведет к уменьшению амплитуды, т.е. к ее стабилизации в процессе работы.

В генератор (рис. 3) дополнительно введен подстроечный резистор R_2.2, который позволяет при настойке генератора установить заданную амплитуду выходного сигнала. При этом расчетное значение сопротивления R₂ в выражении (5) должно быть равно:

R₂ = R_2.1 + 0,5 R_2.2, (10)

а сопротивление подстроечного резистора R_2.2 целесообразно выбрать равным: R_2.2 = 0,5R_2.1.

Это позволяет обеспечивать выполнение баланса амплитуд и проводить установку заданной амплитуды выходного напряжения (изменением сопротивления резистора R_2.2).

Кварцевые генераторы.

Кварцевые генераторы выполняются на основе кварцевых резонаторов, или просто кварцев, принцип работы которых основан на использовании прямого и обратного пьезоэффекта.

Кварцевые резонаторы изготавливают из природного и искусственного монокристаллического кварца, в виде пластин, определенным образом ориентированные относительно кристаллографических осей монокристалла. При приложении переменного напряжения к обкладкам пластины пластина совершает механические колебания, частота которых определяется частотой резонанса пластины - кварца.

В зависимости от размеров и конструкции пластины кварца резонансная частота может составлять от единиц килогерц до сотен мегагерц. Кварц обладает высокой стабильностью, что позволяет строить кварцевые генераторы, нестабильность частоты которых (f/f) составляет 10^-6 ¸ 10^-9 (для сравнения: нестабильность частоты LC генераторов превышает 10^-4).

При анализе кварц рассматривают в виде эквивалентной схемы (рис. 4). Кварц имеет два резонанса: последовательный и параллельный. Частоты последовательного f_посл и параллельного f_пар резонансов определяются выражениями:

f_посл = ; f_пар = .

При построении кварцевых генераторов может использоваться как последовательный резонанс кварца, при котором сопротивление кварца минимально, так и параллельный, характеризуемый максимальным сопротивлением кварца.

На основе кварцевых резонаторов строятся кварцевые генераторы современных средств связи, например, сотовых телефонов, кварцевые генераторы также являются неотъемлемой частью цифровых систем отсчета времени.

В цифровых системах отсчета времени для получения сигналов с периодом, кратным одной секунде, используются кварцевые генераторы и делители частоты – двоичные счетчики. Частоту кварцевых генераторов выбирают по коэффициенту деления k_д двоичного счетчика импульсов, которая равна: k_д = 2ⁿ, где n – число двоичных разрядов счетчика импульсов, обычно выбираемое равным 14 или 15.

При этом для n = 15: k_д = 2¹⁵ = 32768.

Таким образом, если построить кварцевый генератор с частотой f₀ = 32768 Гц, то после деления частоты кварцевого генератора двоичным счетчиком, имеющим 15 двоичных разрядов, частота сигнала на выходе двоичного счетчика будет равна одному герцу, т.е. период выходного сигнала будет равен одной секунде. На таком принципе основаны практически все генераторы сигналов цифровых систем отсчета времени. Для построения таких генераторов используются кварцевые резонаторы с частотой 32,768 кГц.

Практический вариант кварцевого генератора, предназначенного для цифровых систем отсчета времени, выполненного на основе специализированных счетчиков импульсов типа К176ИЕ5 или К176ИЕ12, К176ИЕ18 приведен на рис. 5 (нумерация выводов для микросхем типа К176ИЕ12, К176ИЕ18 на схеме приведена в скобках). В состав специализированных счетчиков входит инвертирующий усилитель (вход Т, выход Т), в цепь обратной связи которого введен кварц ZQ₁ на частоту 32,768 кГц, который с резисторами R₁, R₂ и конденсаторами С₁, С₂ образует кварцевый генератор.

С помощью кварцевого генератора вырабатывается импульсный сигнал с частотой 32,768 кГц, который подается на счетчик импульсов, на выходах 14, 15 которого выделяется сигнал, уменьшенный по частоте в 2¹⁴ и 2¹⁵ раз, соответственно. Таким образом, частота сигнала на выходах 14, 15 составляет 2 Гц и 1 Гц, соответственно.

Для исследований работы генератора необходимо подключить осциллограф и частотомер к выходам 14 и 15 микросхемы и по осциллограммам выходных напряжений определить частоты следования импульсов генератора.

Генераторы импульсных сигналов.

В электронных приборах наряду с гармоническими (синусоидальными) сигналами широко используются импульсные сигналы.

Идеализированный по форме импульс напряжения u, который называют трапециидальным, приведен на рис. 6.

Импульс условно разделяют на части, которым присвоены названия: участок “аb” – фронт (передний фронт) импульса; участок “bc” – вершина импульса; участок “cd” – срез или задний фронт импульса; участок “de” – хвост импульса; отрезок времени “ad” – основание импульса.

Для характеристики формы импульса вводят следующие параметры: t_и – длительность импульса; t_ф – длительность фронта импульса; t_с – длительность среза импульса; t_х – длительность хвоста импульса; U_m – амплитуда (высота) импульса; DU – спад вершины импульса; U_обр – амплитуда обратного выброса импульса.

Кроме отмеченных выше параметров для периодических импульсов вводится понятие периода T повторения импульсов, определяемого как и для любых периодических сигналов; длительность паузы t_п – время между двумя последовательно формируемыми импульсами; Q – скважность импульсов: Q = T/t_и и коэффициент заполнения: К_з = 1/Q = t_и/T.

В зависимости от формы импульсные сигналы разделяются на прямоугольные, треугольные, пилообразные и колоколообразные.

Импульсные сигналы вырабатываются генераторами импульсных сигналов – импульсными генераторами.

Генераторы импульсных сигналовмогут работать в одном из трех режимов:автоколебательном, ждущем и режиме синхронизации. В автоколебательном режиме генераторы непрерывно формируют импульсные сигналы без внешнего воздействия.

В ждущем режиме генераторы формируют импульсные сигналы только после поступления на вход генератора внешнего (запускающего) сигнала.

В режиме синхронизации генераторы вырабатывают импульсы напряжения, частота которых равна или кратна частоте синхронизирующего сигнала.

В электронных устройствах наиболее широко используются генераторы прямоугольных импульсов и генераторы линейно изменяющихся сигналов (пилообразной и треугольной формы).

Генераторы прямоугольных импульсов разделяются на мультивибраторы и блокинг-генераторы. Мультивибраторами называются генераторы прямоугольных импульсов с RC-частотозадающими элементами, в которых как длительность импульсов так и их период следования определяются параметрами RC-цепей. Блокинг-генераторы в отличие от мультивибраторов предназначены для формирования узких импульсов, длительность которых определяется используемым в генераторе импульсным трансформатором, а период следования импульсов – RC-цепями.

Мультивибраторы можно построить на транзисторах, операционных усилителях и логических элементах.

Вариант схемы мультивибратора на биполярных транзисторах приведен на рис. 7.

Мультивибратор выполнен на двух биполярных транзисторах структуры n-p-n, и может быть построен и на биполярных транзисторах структуры p-n-p (для этого требуется только заменить транзисторы и изменить полярность подключения батареи питания E_к.

Мультивибратор по своей схеме фактически представляет двухкаскадный усилитель на транзисторах включенных по схеме с общим эмиттером с фиксированным током базы, причем цепь выхода второго каскада усилителя (конденсатор С₁) подключен к входу первого каскада усилителя – к базе транзистора VT₁.

Фактически в генераторе нет частотно-избирательной цепи, поскольку используемые RC-цепи пропускают широкий спектр частот, и условия возбуждения генератора выполняются на разных частотах, т.е. генератор не является синусоидальным.

Особенностью используемых усилительных каскадов в мультивибраторе является выбор их рабочих точек на ВАХ в зоне режима насыщения. Это определяет первое условие работоспособности мультивибратора – условие насыщения транзисторов (выражение (1) лабораторной работы № 3), из которого можно получить выражение (11):

R_б £ 5 , (11)

где _ст минимально возможное значение статического коэффициента усиления по току используемых транзисторов в схеме с общим эмиттером (определяется по справочнику), 5 – коэффициент насыщения транзистора.

Второе условие, используемое при расчете мультивибратора, определяется длительностью импульсов t_и1 и t_и2, формируемых в коллекторной цепи первого VT₁ и второго VT₂ транзисторов, а также длительностью периода Т прямоугольных импульсов.

Для расчета значений t_и1, t_и2 и Т используются следующие выражения:

t_и1 = 0,7R_б1С₁; t_и2 = 0,7R_б2С₂; Т = t_и1 + t_и2. (12)

Для расчета мультивибратора в лабораторной работе по заданным сопротивлениям R_к с учетом условия (11) необходимо определить допустимые значения сопротивлений R_б.

Затем по заданной частоте следования импульсов f_и необходимо определить их период Т и, используя выражения (12) по заданной длительности импульсов t_и2 и периоду Т их следования необходимо рассчитать значения элементов R_б1, R_б2 и С₁, С₂.

Генератор линейно-изменяющегося напряжения (ЛИН).

Генераторы линейно изменяющихся напряжений широко используются в устройствах аналого-цифрового преобразования сигналов, выполненных на основе принципа время-импульсного преобразования, а также в устройствах развертки луча осциллографов, телевизоров и в других устройствах.

Если требование к линейности ЛИН не очень велики, то формирование линейно-изменяющегося напряжения можно провести, используя начальную часть изменения напряжения заряда конденсатора в RC-цепи, периодически разряжая конденсатор электронным ключом. При высоких требованиях к линейности ЛИН генераторы выполняют на основе использования заряда конденсатора постоянным током от источника постоянного тока и как одного из вариантов подобных устройств – использования интеграторов, выполненных на операционных усилителях.

Вариант генератора ЛИН, выполненного на интегрирующем усилителе, основой которого является операционный усилитель DA₁, приведен на рис. 8.

Генератор состоит из интегратора, состоящего из элементов DA₁, R₃, C₁ и триггера: DD_1.1, DD_1.2, R₁, R₂.

С выхода триггера (4-й вывод DD_1.2) на вход интегратора может подаваться напряжение, равное +E₁ при выходном сигнале триггера равном логической единице и –Е₂ при выходном сигнале триггера равном логическому нулю.

Переключение триггера в состояния логического единицы и логического нуля на выходе осуществляется подачей на вход триггера (правый вывод резистора R₂) выходного напряжения интегратора (с 6 вывода микросхемы DA₁).

Уровень напряжения U₁ входного сигнала, при котором осуществляется переключение триггера определяется соотношением резисторов R₁ и R₂.

При условии равенства напряжений источников питания Е₁ = Е₂ = Е переключение триггера в единичное и в нулевое состояние будет происходить при напряжении U₁ равном:

U₁ = E . (13)

При поступлении на вход интегратора напряжения (+Е или –Е) на его выходе напряжение u_вых будет изменяться во времени t согласно выражению (14).

u_вых = i t, (14)

где i – ток, заряжающий конденсатор С₁, который для интегратора будет равен:

i = . (15)

Изменение напряжения на выходе интегратора будет происходить между уровнями напряжения –U₁ и +U₁, при которых происходит переключение триггера, а следовательно, и происходит изменение полярности входного напряжения интегратора (-Е, +Е).

С учетом этого, принимая u_вых = 2U₁ из выражения (14) можно найти время перезарядки конденсатора между двумя переключениями триггера, равного половине периода следования пилообразного напряжения T/2, т.е.:

Т = . (16)

С учетом выражений (13), (15) и (16) период Т следования выходного напряжения генератора ЛИН будет равен:

Т = . (17)

Поскольку напряжение U₁ определяет максимальное положительное и отрицательное значение выходного напряжения генератора, то следовательно амплитуда ЛИН будет равна:

U_m = U₁. (18)

Используя выражения (13), (15), (17) и (18) можно провести расчет генератора ЛИН.

Для этого по заданным значениям Е, U_m и R₂ в соответствии с выражениями (18), (13) необходимо определить сопротивление R₁. Затем, используя заданное значение С₁ и период Т (частоту f) следования ЛИН, в соответствии с выражением (17) необходимо определить сопротивление резистора R₁.

Исследуемый генератор ЛИН должен вырабатывать периодически изменяющееся ЛИН, симметричное для положительной и отрицательной полярности напряжения.

ПОДГОТОВИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

1. Изучить теоретическую часть работы и законспектировать основные вопросы по теме “Генераторы сигналов” с учетом контрольных вопросов лабораторной работы. При конспектировании особое внимание уделить вопросам дополняющим лекционный материал по изучаемой теме.

2. Нарисовать в отчете схему моста Вина (рис. 1) и генератора синусоидального напряжения с мостом Вина (рис. 3). На схеме моста Вина указать лабораторный генератор синусоидального сигнала, подключаемый к входу цепи при съеме частотной характеристики, и цифровой вольтметр, подключенный к выходу цепи.

Используя выражение (4) по заданной вариантом заданий частоте f_г (табл. 1) сигнала генератора, равной f₀, определить сопротивление резисторов R (резисторов R₃ = R₄ на схеме рис. 3). Для этого предварительно необходимо выбрать емкость конденсатора С (С₁ = С₂) (рис. 3) для нечетных вариантов заданий равной 0,22 мкФ, для четных вариантов заданий - 0,68 мкФ.

Таблица 1

Примечание: транзисторы типов, КТ503Г, КТ602Б, КТ315Б, КТ807Б, имеют структуру n-р-n; транзисторы типов КТ203А, КТ502Б, КТ837И – структуру р-n-р.

Для выбранных значений R и C, используя правила расчета цепей синусоидального тока, определить коэффициент передачи моста b₀ = U_вых/U_вх для частоты f₀.

Затем выбирая сопротивление подстроечного резистора R_2.2 равным 47 кОм и 100 кОм для нечетных и четных вариантов заданий, соответственно, по значению сопротивления R₂ в соответствии с выражениями (10), (8) определить сопротивление R₁. Рассчитанные сопротивления резисторов выбрать в соответствии со шкалой номинальных значений резисторов для первого класса точности и все значения параметров резисторов и конденсаторов указать на схеме.

3. Нарисовать в отчете схему кварцевого генератора (рис. 5) предназначенного для систем отсчета времени. В кварцевом генераторе использовать микросхему К176ИЕ5 (для нечетных вариантов заданий) и микросхему К176ИЕ12 (для четных вариантов заданий). На схеме указать параметры всех элементов и номера выводов выбранных микросхем.

4. Нарисовать в отчете схему мультивибратора на двух биполярных транзисторах, используя заданные вариантом задания (табл. 1) транзисторы (заданного типа и структуры). В соответствии с выбранными транзисторами указать полярность подключения источника питания Е_к.

Используя заданные значения, в соответствии с вариантом задания (табл. 1) частоты сигнала генератора f_г, длительности выходных импульсов t_и2 сигнала генератора (в цепи между коллектором транзистора VT₂ и общей шиной) и сопротивления R_к2, провести расчет сопротивлений R_б1 и R_б2.

Для этого сначала по частоте сигнала генератора f_г определить его период Т_г и по периоду в соответствии с вариантом задания определить длительность импульса t_и1 в цепи коллектора VT₁.

Затем, выбрав сопротивление резистора R_к1 = 2 кОм, из условия насыщения первого VT₁ и второго VT₂ транзисторов в соответствии с выражением (11) определить допустимые значения сопротивлений резисторов R_б1 и R_б2, для которых выполняются условия насыщения.

После этого, выбирая емкости конденсаторов С₁ и С₂ из ряда значений 0,22 мкФ, 0,33 мкФ, 0,68 мкФ, в соответствии с выражением (12) по значению t_и2 и выбранному значению С₂ определить сопротивление резистора R₂, а по значениям t_и1 и C₁ – сопротивление резистора R₁.

После определения значений сопротивлений R₁ и R₂ проверить соответствие их значений рассчитанным значениям сопротивлений, определяющим условие насыщения.

Если сопротивления R₁ и R₂ соответствуют допустимым значениям сопротивлений, то их можно использовать в мультивибраторе, если не соответствуют, то необходимо выбрать другое значение емкости соответствующего конденсатора и провести перерасчет сопротивления соответствующего резистора.

После определения сопротивлений резисторов R₁ и R₂ их значения выбрать в соответствии с рядом номинальных значений для первого класса точности резисторов. Выбранные значения всех элементов отразить в отчете и указать на схеме мультивибратора.

4. Нарисовать в отчете схему генератора линейно –изменяющегося напряжения (рис. 8).

В соответствии с вариантом задания по частоте выходного сигнала генератора f_г и амплитуде выходного напряжения U_m при выборе напряжений батарей питания Е₁ = Е₂ = Е, сопротивления R₁ и конденсатора С₁ для нечетных вариантов заданий: Е = 3,9 В (3,6¸4,2) В; R₁ = 100 кОм; С₁ = 0,68 мкФ; для четных вариантов заданий: Е = 5,2 В (4,8¸5,6) В, R₁ = 30 кОм; С₁ = 0,22 мкФ, провести расчет сопротивлений резисторов R₂ и R₃.

Для этого, используя условие (18) и выражение (13) определить сопротивление R₂, а затем на основании выражения (17) – сопротивление R₃, предварительно рассчитав по частоте f_г = 1/T период T следования ЛИН.

По полученным значениям выбрать сопротивления резисторов в соответствии со шкалой номинальных значений резисторов для первого класса точности. Выбранные значения параметров элементов генератора отразить в отчете и указать на схеме генератора ЛИН.

ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАДАНИЯ

Задание 1. Исследование генератора синусоидального напряжения на операционном усилителе с мостом Вина.

На лабораторном стенде в соответствии со схемой (рис. 1) собрать электрическую цепь моста Вина. В качестве резисторов использовать резисторы R с рассчитанным в подготовительном задании сопротивлениями, а конденсаторов С выбрать конденсаторы типа К73-17 с заданной емкостью.

На вход моста Вина подключить генератор синусоидального сигнала, а к выходу – цифровой вольтметр. Установить на выходе генератора сигнала синусоидальное напряжение с заданным действующим значением U_вх = 2,0 В и частотой f = 1000 Гц.

Изменяя частоту f генератора сигналов в диапазоне от 20 Гц до 10 кГц и измеряя выходное напряжение U_вых моста Вина, снять частотную характеристику моста Вина: U_вых = F(f). Для съема частотной характеристики выбрать 7 ¸ 10 значений частоты f в области полосы пропускания моста Вина.

Полученные значения занести в отчет и построить частотную характеристику моста Вина. По графику определить среднюю частоту полосы пропускания f₀ моста Вина и коэффициент его передачи b₀ на частоте f₀).

Полученные значения f₀ и ₀ сравнить с рассчитанными в подготовительном задании значениями. Результаты сравнения отразить в отчете.

На основе собранной на лабораторном стенде цепи моста Вина собрать электрическую цепь генератора синусоидального напряжения (рис. 3) на микросхеме DA₁, в качестве которой использовать одну из микросхем типа: К140УД6, К140УД7 или 154УД1.

Для питания микросхемы использовать две батареи (по три элемента), каждая с напряжениями Е₁ = Е₂ = 3,9 В (3,6 ¸ 4,2) В, а в качестве резистора R₃ использовать подстроечный резистор типа СП3-1 или СП3-19.

После подключения к генератору батарей питания, а к выходу генератора (вместо сопротивления нагрузки R_н) осциллографа и динамика, последовательно включенного с резистором с сопротивлением 300 Ом, убедиться в работе генератора, и с помощью осциллографа провести съем временной диаграммы выходного сигнала.

Если выходной сигнал генератора является не синусоидальным, то, изменяя сопротивление построечного резистора добиться, устранения искажений сигнала, установив заданную его амплитуду U_m. С помощью осциллографа и частотомера провести измерение частоты f_г синусоидального сигнала генератора, а с помощью цифрового вольтметра, подключаемого к выходу генератора – выходного напряжения U_г.

Полученные значения f_г и U_г занести в отчет (табл. 2) и сравнить с рассчитанными значениями. По результатам сравнения и анализа работы генератора сделать необходимые выводы.

Таблица 2

Задание 2.Исследование генератора пилообразного напряжения на операционном усилителе.

На лабораторном стенде собрать электрическую цепь генератора пилообразного напряжения (рис. 8), выполненного на микросхеме, в качестве которой использовать микросхему типа К140УД6, К140УД7 или 154УД1.

Для питания микросхемы выбрать две батареи с напряжением, определенным при проведении расчетов в подготовительном задании.

После подключения к генератору батарей питания, а к выходу вместо сопротивления нагрузки R_н осциллографа, убедиться в работоспособности генератора, и с помощью осциллографа провести съем временной диаграммы выходного напряжения. С помощью осциллографа и частотомера провести измерение частоты f_г выходного сигнала генератора, а с помощью осциллографа – амплитуды выходного напряжения U_m = U_г генератора.

Полученные значения f_г и U_г занести в табл. 2 и сравнить с расчетными (заданными вариантом задания) значениями, и по результатам сравнения и анализа работы генератора сделать необходимые выводы.

Задание 3.Исследование генератора прямоугольных импульсов на биполярных транзисторах.

На лабораторном стенде собрать электрическую цепь мультивибратора на биполярных транзисторах (рис. 7).

В качестве биполярных транзисторов использовать заданные вариантом задания с заданной структурой (n-p-n или p-n-p) транзисторы, напряжение питания выбрать равным Е_к = 3,9 В (три элемента батареи).

После подключения батареи питания с помощью осциллографа и динамика ВА₁, подключаемого последовательно с резистором R_к2, убедиться в работоспособности мультивибратора. Подключая осциллограф к цепям между общей шиной и коллектором, а также между общей шиной и базой к двум транзисторам снять временные диаграммы напряжений u_кэ и u_бэ для каждого транзистора.

С помощью частотомера и осциллографа определить частоту следования прямоугольных импульсов генератора f_г и длительность импульса t_и2. Полученные значения частоты f_г и t_и2 занести в табл. 2 и сравнить с заданными значениями.

Временные диаграммы с соблюдением масштаба и взаимного расположения привести в отчете по лабораторной работы. По временным диаграммам определить длительность t_ф фронта и среза t_c импульсов, формируемых в цепях коллекторов каждого транзистора.

Задание 4.Исследование кварцевого генератора сигнала для цифровых систем отсчета времени.

На лабораторном стенде собрать электрическую цепь кварцевого генератора цифровой системы отсчета времени (рис. 5). В качестве микросхемы использовать счетчик с встроенными элементами кварцевого генератора для нечетных номеров вариантов заданий типа К176ИЕ5, для четных номеров вариантов типа К176ИЕ12. В качестве кварца использовать часовой кварц с резонансной частотой 32,768 кГц, батарею питания выбрать с напряжением Е₁ = 5 В (четыре элемента аккумуляторной батареи).

После подключения к генератору батареи питания с помощью осциллографа, подключаемого к выходам Т, 14, 15, убедиться в работе генератора и снять временные диаграммы в соответствующих точках.

С помощью частотомера и осциллографа (по диаграммам) определить частоту сигнала в контролируемых точках.

Полученные значения частот f₁₄, f₁₅ в контролируемых точках занести в отчет по лабораторной работе и сделать выводы по результатам исследования.

Все результаты вычислений и их обоснование привести в отчете по лабораторной работе.

По результатам проведенных исследований и сопоставления результатов сделать выводы:

· о соответствии значений параметров сигналов (по каждому заданию лабораторной работы отдельно);

· о соответствии формы сигналов заданной форме для всех генераторов.

Контрольные вопросы

1. Что называется генератором сигналов? Расскажите про классификацию генераторов.

2. Расскажите про условия возбуждения генератора: баланс амплитуд и баланс фаз, и поясните их. Почему в генераторах используется положительная обратная связь?

3. Поясните понятия: “мягкий и жесткий режим возбуждения генератора”.

4. Расскажите про разновидности генераторов гармонических колебаний, их структуру и элементы, включаемые в цепь обратной связи – нарисуйте схемы электрических цепей элементов обратной связи.

5. Поясните принцип работы с необходимыми математическими выкладками генератора синусоидального сигнала с мостом Вина. Почему в генератор необходимо включать элементы стабилизации амплитуды?

6. Поясните принцип работы кварцевых резонаторов и кварцевых генераторов, структуру и принцип работы кварцевого генератора систем отсчета времени.

7. Расскажите про импульсные сигналы и их основные характеристики: длительность фронта; длительность импульса; длительность среза; длительность хвоста; период и частота импульсов; амплитуда и спад вершины импульса; скважность и коэффициент заполнения.

8. Какие режимы работы генераторов импульсных сигналов вы знаете? Чем они различаются?

9. Какие генераторы прямоугольных импульсов вы знаете? Что вы знаете про блокинг-генераторы?

10. Нарисуйте схему мультивибратора на биполярных транзисторах, поясните условия его работы и расчет элементов.

11. Нарисуйте схему мультивибратора на логической микросхеме и поясните его работу.

12. Нарисуйте схему мультивибратора на операционном усилителе и поясните его работу.

13. Что вы знаете про генераторы линейно изменяющегося напряжения. Поясните принцип их работы.

14. Нарисуйте схему и поясните работу генератора ЛИН, исследованного в лабораторной работе.

15. Поясните полученные в работе результаты, построенный график, снятые временные диаграммы и сделанные выводы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

Тема:“Изучение и исследование вторичного стабилизированного источника электропитания”

Цель работы: знакомство с вторичными источниками электропитания, их назначением, классификацией и основными параметрами, вариантами принципиальных схем и методикой расчета, практическое исследование одно- и двухполупериодных выпрямителей, сглаживающих фильтров и последовательного стабилизатора напряжения.

ТеоретическИЕ СВЕДЕНИЯ

Вторичные источники электропитания предназначены для получения напряжений, необходимых для непосредственного электропитания электронных и других устройств. Вторичные источники электропитания получают энергию от первичных источников, вырабатывающих электроэнергию (генераторов, аккумуляторов и др.). Питать электронные устройства непосредственно от первичных источников как правило нельзя.

Вторичные источники электропитания являются одними из наиболее важных устройств электроники, т.к. от них во многом зависит надежность электронных устройств.

Принято вторичные источники электропитания называть просто источниками электропитания или источниками питания.

Структурную схему источника питания можно пре