Исследование компенсационных стабилизаторов напряжения и тока 41

Оглавление

Описание лабораторного стенда 3

 

Лабораторная работа №1

Исследование генераторов периодических сигналов на основе ОУ 4

Лабораторная работа №2

Исследование аналоговых компараторов 11

Лабораторная работа №3

Исследование системы импульсно-фазового управления тиристорами 21

Лабораторная работа №4

Исследование схемы амплитудного модулятора-демодулятора 27

Лабораторная работа №5

Исследование быстродействующего фильтра на основе устройства

Выборки-хранения 33

Лабораторная работа №6

Исследование компенсационных стабилизаторов напряжения и тока 41

 

ВВЕДЕНИЕ, ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

 

Лабораторные работы выполняются на универсальном стенде, обеспечивающем проведение 6 лабораторных работ по основным разделам теоретического курса «Технические средства автоматизации».

На лицевой панели стенда смонтированы три вертикальные панели. Две крайние панели содержат исследуемые схемы с соответствующими номерами, а средняя панель представляет собой блок питания, в котором предусмотрены три регулируемых источника напряже­ний:

1) постоянного напряжения = 0¸5 В (выключатель , регулятор уровня , гнездо );

2) постоянного напряжения разного знака = 0¸8 В (переключатель , регулятор , гнездо );

3) переменного напряжения звуковой частоты » = 0¸0,1 В (переключатель частоты , регулятор , гнездо ).

В верхней части панели установлен общий сетевой выключатель "сеть", сигнальная лампа "Вкл" и предохранитель.

Схемы для проведения исследований собирается с помощью гнезд и перемычек в соответствии с принципиальной схемой электронного устройства.

Все три источника напряжения соединены между собой и исследуемыми схемами общим (нулевым) проводом, который выведен также на латунные гнезда средней панели.

1. Лабораторная работа № 1
«ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ (ОУ)»

 

1.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить свойства генераторов периодических сигналов синусоидальной и прямоугольной формы. Определить теоретическое и экспериментальное значение значения частоты генераторов.

 

1.2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Существуют две разновидности генераторов периодических сигналов (по принципу действия):

1. Релаксационные,

2. Автоколебательные.

Релаксационные генераторы работают на основе заряда и разряда конденсатора через нелинейный элемент. В результате возникают параметрические колебания напряжения. Форма колебаний несинусоидальная.

Автоколебательные генераторы работают на основе самовозбуждения при наличии цепи положительной обратной связи (ПОС). Форма колебаний синусоидальная или прямоугольная.

 

 

Рис. 1.1. Автоколебательный генератор синусоидальных колебаний

На рис. 1.1. представлен автоколебательный генератор синусоидальных колебаний, имеющий частотно-зависимую цепь ПОС (), сигнал которой подается на неинвертирующий вход ОУ. Эта цепь определяет частоту выходного сигнала . Цепь отрицательной обратной связи (ООС) ( или ) обеспечивает синусоидальную форму выходного сигнала и стабилизирует его амплитуду.

В качестве цепи ПОС используется П-образная, Г-образная -цепь и мост Вина.

Условие самовозбуждения генератора.

В общем случае коэффициент передачи схемы генератора определяется:

, (1.1)

 

где – коэффициент усиления прямой цепи (собственный коэффициент ОУ),

- коэффициент передачи цепи ОС (+ для ООС, − для ПОС).

 

 

Рис. 1.2. Частотные характеристики моста Вина

 

Для возникновения автоколебаний необходимо, чтобы петлевой коэффициент усиления , а фазовый сдвиг между входом и выходом отсутствовал:

1. – баланс амплитуд,

2. = – баланс фаз.

Частотные характеристики моста Вина, используемого в исследуемой схеме, представлены на рис. 1.2.

На определенной (квазирезонансной) частоте мост Вина имеет максимальный коэффициент передачи = 1/3 и нулевой фазовый сдвиг = 0.

С понижением частоты увеличивается реактивное сопротивление конденсатора и коэффициент передачи падает. При повышении частоты , падение связано с влиянием конденсатора , реактивное сопротивление которого уменьшается и шунтирует сопротивление .

Обычно тогда

. (1.2)

 

Для выполнения условия необходимо обеспечить усиление сигнала по положительному входу с коэффициентом , чтобы компенсировать

Так как для неинвертирующего масштабного усилителя:

 

, ( или )

 

то получим условия для определения сопротивления в цепи ООС:

1) в случае, если ОУ выполнен на основе биполярных транзисторов

или ;

1) ;

(2.3)

 

2) (для ОУ на БТ).

 

Для регулировки частоты выходного сигнала генератора используют сдвоенный переменный резистор в цепи ПОС (Рис. 1.3.), З А Ч Е М

 

 

Рис. 1.3. Сдвоенный переменный резистор в цепи ПОС.

 

Диапазон плавного регулирования частоты определяется соотношением:

. (2.4)

 

Для расширения диапазона регулирования частоты применяют многодиапазонное переключение конденсаторов C ₁ и C ₂.

При регулировке частоты амплитуда выходного напряжения не остается постоянной. Для ее стабилизации и получения синусоидальной формы используется нелинейная цепь ООС. Например, в качестве используется вакуумированный термистор с отрицательным температурным коэффициентом стабилизации (ТКС).

При увеличении напряжения растет ток через термистор и увеличивается его температура, а сопротивление при этом уменьшается. Тем самым увеличивается глубина ООС и напряжение уменьшается до исходного значения с заданной степенью точности.

 

Рис. 1.4. Схема генератора прямоугольных импульсов

 

На рис. 1.4. представлен автоколебательный генератор прямоугольных импульсов. В схеме генератора элементы – VD1–VD2 образуют частотно-зависимую цепь ООС, которая обеспечивает заданное время пребывания ОУ в одном из крайних состояний ( или – максимальные значения напряжения на выходе ОУ соответственно положительной и отрицательной полярностей). Сопротивления создают частотно-независимую цепь ПОС; обеспечивающую лавинообразный процесс переключения ОУ и прямоугольную форму выходного напряжения . Напряжение положительной обратной связи определяется с учетом коэффициента передачи ПОС

, (2.5)

После включения источника питания ОУ переходит в одно из крайних состояний за счет реального ненулевого значения напряжения смещения и действия цепи ПОС (рис. 1.5). После этого конденсатор заряжается по экспоненте и, когда напряжение на инвертирующем входе ОУ превысит напряжение на неинвертирующем входе, меняется знак разности потенциалов на входах ОУ и он переключается в другое крайнее состояние. После этого перезаряжается от другого знака и далее процесс повторяется. В результате на выходе генератора получаем переменное напряжение прямоугольной формы. С помощью переменного резистора можно изменить длительность положительного и отрицательного импульсов.

Условие переключения выхода ОУ из одного крайнего состояния в другое:

(2.6)

 

Рис. 1.5. Диаграммы сигналов генератора прямоугольных импульсов

 

Частота переключения при

. (2.7)

 

Оценка сходимости теоретических и экспериментальных данных

Сходимость теоретических и экспериментальных данных считается нормальной, если отклонение экспериментально полученной величины квазирезонансной частоты моста Вина от ее теоретического значения не превышает 5% и определяется погрешностью номиналов -элементов и средств измерения.

 

3. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

 

3.1. Исследовать схему генератора синусоидальных колебаний на ОУ.

3.1.1. Собрать на стенде цепь положительной ОС с мостом Вина ( кОм, мкФ) и снять амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) в диапазоне частот 32 Гц – 64 кГц. Измерение выходного напряжения производить внешним вольтметром, а частоту входного сигнала задавать встроенным генератором звуковой частоты.

 

Рис. 3.1.

 

3.1.2. Построить график АЧХ в логарифмическом масштабе и определить по нему квазирезонансную частоту моста Вина, сравнить эту частоту с теоретическим значением .

3.1.3. Собрать на стенде схему генератора синусоидальных колебаний с цепями положительной ОС и отрицательной ОС . Изменяя сопротивление в цепи отрицательной ОС, устранить искажения синусоидального выходного сигнала, форму которого наблюдают с помощью осциллографа. По нему определить также амплитуду и частоту генерируемых колебаний и сравнить ее со значениями и .

3.1.4. Изменить параметры моста Вина, подключив вместо и конденсаторы и . Зафиксировать изменение амплитуды выходного сигнала генератора с помощью вольтметра.

3.1.5. Подключить вместо линейной цепи отрицательной ОС полупроводниковый термистор ,зафиксировать изменение амплитуды выходного сигнала при изменении конденсаторов моста Вина и оценить это изменение, по сравнению с п. 2.1.4.

3.2. Исследовать схему генератора прямоугольных импульсов.

3.2.1. Собрать на стенде схему генератора с цепями положительной ОС () и отрицательной ОС ( -VD1- VD2). Изменяя сопротивление , зафиксировать с помощью осциллографа минимальную и максимальную длительности выходных импульсов генератора , а также диапазон изменения скважности импульсов .

3.2.2. Установить резистором скважность импульсов , определить фактическую частоту генератора и сравнить ее с теоретической при кОм:

. (4.1)

 

4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

4.1. Принципиальные схемы генераторов – 2 шт.

4.2. Таблица и график АЧХ моста Вина.

4.3. Результаты расчета и сравнения экспериментальной и теоретической частоты генераторов.

4.4. Данные по изменению амплитуды генератора синусоидальных колебаний при линейной и нелинейной отрицательной ОС.

4.5. Диапазон изменения скважности и длительности импульсов в генераторе прямоугольных импульсов.

 

5. Контрольные вопросы

 

5.1. Чем отличается принцип действия релаксационного и автоколебательного генераторов?

5.2. Назначение элементов в схеме генератора синусоидального напряжения.

5.3. Назначение элементов в схеме генератора прямоугольных импульсов.

5.4. Чем объясняется неравномерность АЧХ моста Вина?

5.5. Условие самовозбуждения генератора.

5.6. Способы обеспечения стабильности амплитуды выходного сигнала в генераторе синусоидальных колебаний.

5.7. От чего зависит частота генерируемых колебаний?

5.8. Чем определяется амплитуда и форма выходного сигнала в генераторе прямоугольных импульсов?

5.9. Оценить сходимость теоретических и экспериментальных данных.

5.10. Как осуществить плавную перестройку частоты генератора?

Лабораторная работа №2

 

ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ КОМПАРАТОРОВ

 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Изучение принципа действия и характеристик основных типов аналоговых компараторов: однопорогового, регенеративного и двухпорогового.

 

2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

 

2.1. Компаратор является устройством сравнения двух сигналов. Если в процессе изменения входных сигналов один превышает другой – компаратор изменяет свое состояние на противоположное. Чаще всего из двух входных сигналов один имеет фиксированное значение, это опорный сигнал – . Другой сигнал может непрерывно меняться. Выходной сигнал компаратора, в зависимости от его состояния, принимает значение логического нуля или логической единицы. Таким образом аналоговый компаратор преобразует непрерывный входной сигнал в дискретный (цифровой) 0 или 1. В процессе работы компаратор может перестраиваться на различные уровни срабатывания путем изменения опорного напряжения .

Аналоговые компараторы широко применяются в измерительных, преобразовательных и регулирующих устройствах. Например, в аналогово-цифровых преобразователях для дискретизации уровня входного сигнала, преобразователях напряжение-частота, сигнализаторах и позиционных регуляторах технологических параметров (температура, давление, положение), в устройствах сортировки деталей по размерным группам, в системах импульсно-фазового управления (СИФУ).

Аналоговые компараторы строятся на основе операционного усилителя (ОУ) с дифференциальным входом.Разработаны специализированные быстродействующие компараторы в видеинтегральных микросхем, например, типа K52ICA2, К554САЗ, K597СA1.

Применяется три основные разновидности компараторов: однопороговые, регенеративные и двухпороговые.

 

2.2. Выходной сигнал компаратора должен быть нормирован в соответствии с уровнем логического нуля и единицы для типовых логических элементов, подключаемых к выходу компаратора.

У однопорогового и регенеративного компаратора величина выходного напряжения определяется напряжением стабилизации стабилитрона ( = 4,7 В для КС147А).

У двухпорогового компаратора его выходное напряжение определяется максимальным выходным напряжением ОУ , которое зависит от напряжения питания = » В.

 

2.3. Зона переключения у регенеративного компаратора зависит от величины , . (Формулы 2.1 – 2.3), причем с увеличением уменьшается.

У двухпорогового – от величины . (Формулы 2.4 - 2.6) и не зависит от U_оп.

 

2.2. Точность сравнения компаратора характеризуется порогом чувствительности , то есть напряжением, на которое необходимо превысить уровень опорного напряжения, чтобы компаратор изменил свое состояние на противоположное. Порог чувствительности зависит от коэффициента усиления ОУ, напряжения смещения нуля ОУ, а также температурного и временного дрейфа этого напряжения.

 

2.3. Быстродействие компаратора характеризуется "временем восстановления" . Это промежуток времени от момента подачи ступенчатого нормированного перепада входных напряжений, до момента, когда выходное напряжение достигнет уровня порога срабатывания логического элемента (для ТТЛ - элементов » 1,5 В). Нормированный перепад между опорным и входным напряжениями при определении составляет 5 мВ. Время восстановления компаратора можно разбить на две составляющие: время задержки и время нарастания выходного напряжения до порога срабатывания логического элемента (Рис. 2.1).

 

2.4. Используя для построения компаратора обычные ОУ, трудно получить меньше 1 мкс, причем основной его составляющей будет время задержки .Это объясняется тем, что в режиме перегрузки, обычном для компаратора, насыщаются транзисторы усилительных каскадов ОУ. Поэтому после снятия перегрузки требует­ся значительное время для рассасывания накопленного в базах тра­нзисторов заряда. В специализированных интегральных компарато­рах за счет дополнительных мер время восстановления составляет менее 10 нс.

Однако использование ОУ с навесными элементами вместо ин­тегральных компараторов оказывается предпочтительным, когда тре­буется высокая точность сравнения сигналов (десятки микровольт), малое потребление мощности и широкие функциональные возможности схемы.

 

2.2. Однопороговый компаратор

 

2.2.1. Назначение элементов в схеме

Схема компаратора (К) содержит ОУ на интегральной микросхеме DA1 и внешние дополнительные резисторы и диоды (Рис. 2.2). Входное напряжение иопорное напряжение подается на разные входы ОУ через резисторы и , которые предназначены для выравнивания входных токов ОУ и уменьшения смещения нулевого уро­вня ОУ. Диод VD1исключает отрицательное напряжение на выхо­де K, а стабилитрон VD2нормирует единичный уровень выходного напряжения. Резистор ограничивает ток стабилитрона VD2, a обеспечивает согласование K по сопротивлению с логи­ческими элементами ТТЛ при нулевом уровне . Изменение заданного значения опорного напряжения обеспечивается потенциометром .

2.2.2. Принцип действия

 

В исходном состоянии при на выходе ОУ создается максимальное положительное напряжение за счет опорного напряжения , поданного на неинвертирующий вход ОУ. На выходе K в этом случае единичный уровень .

При увеличении до значения происходит переключение K, напряжение на выходе ОУ меняет знак , напряжение на выходе K становится близким к нулю . Статическая характеристика компаратора приведена на рисунке 2.3.

В общем случае переключение K происходит при входном напряжении переключения , отличающемся от опорного , где – порог чувствительности К.

 

2.2.3. Точность срабатывания

 

Для повышения точности срабатывания К необходимо увеличить коэффициент усиления ОУ и уменьшить напряжение смещения нуля ОУ, например, путем предварительной настройки ОУ. Практически = 10 ¸ 30 мВ.

 

2.2.4. Быстродействие

Так как переключение компаратора происходит в линейной зоне ОУ, то время переключения будет зависеть от скорости изменения входного напряжения.

 

2.3. Регенеративный компаратор

 

2.3.1. Назначение элементов в схеме

Схема регенеративного компаратора отличается введением цепи положительной обратной связи (ПОС) – VD3 (Рис. 2.4.). За счет этой цепи обеспечивается лавинообразный процесс переключения К и существенно повышает его быстродействие. При этом время переключения не зависит от скорости изменения входного напряжения.

 

2.3.2. Принцип действия

 

В исходном состоянии (при ) на неинвертирующий вход ОУ подается с выхода К сигнал ПОС, к который суммируется с . В связи с этим при увеличении переключение К произойдет при верхнем пороге , когда превысит не только , и сигнал :

(2.1.)

После переключения компаратора сигнал обратной связи исчезает, так как = = 0.

При уменьшении входного сигнала обратное переключение К происходит при нижнем пороге , близком к опорному напряжению:

(2.2)

 

Таким образом, статическая характеристика регенеративного компаратора (Рис. 2.5.) имеет гистерезис или зону переключения, которая определяется выражением:

(2.3)

 

 

2.3.3. Зона переключения компаратора

 

Эта зона при перестройке компаратора на различные уровни срабатывания не остается постоянной, а уменьшается с увеличением , что является недостатком схемы. Для сохранения зоны переключения при изменении настройки К требуется регулировка сопротивления и коррекция .

 

2.3.4. Применение

 

Регенеративный компаратор применяется при малых скоростях изменения входного сигнала и в условиях действия помех, влияние которых уменьшается за счет гистерезиса характеристики компаратора.

 

2.4.1. Двухпороговый компаратор

 

2.4.1. Назначение элементов в схеме

 

Состояние двухпорогового компаратора изменяется два раза при увеличении входного сигнала. Схема такого компаратора на основе одного ОУ содержит цепь отрицательной обратной связи (ООС) в виде диодного моста VD1 – VD4с источниками напряжения смещения E (Рис. 2.6.). Резисторы и ограничивают ток смещения. Входной сигнал и опорное напряжение подаются на один инвертирующий вход ОУ через резисторы и . При этом для вычитания сигналов знак должен быть противоположен знаку . Для индикации состояния К используются светодиоды VD7,VD8, включенные через ,VD5,VD6.

 

2.4.2. Принцип действия

 

В исходном состоянии (при = 0) напряжение , так как на инвертирующем входе ОУ имеется - . При увеличении первое переключение К происходит при нижнем пороге = , когда входной ток превысит ток , отдаваемый в мост цепью смещения. Диоды в цепи ООС открываются, эквивалентное сопротивление этой цепи становится малым, а коэффициент передачи , в связи с чем = 0. При дальнейшем увеличении это состояние К сохраняется, а затем при верхнем пороге переключения = происходит второе переключение К, тогда = .

 

2.4.3. Зона переключения

Пороги срабатывания , и зона переключения компаратора при = , = определяются выражениями:

, (2.4.)

 

, (2.5.)

 

, (2.6.)

 

где = 0,65 - 0,7 В - падение напряжения на открытом диоде. Как видно из этих выражений и статической характеристики (Рис. 2.7), зона переключения двухпорогового К не зависит от уровня срабаты­вания и опорного напряжения , что является благоприятным фа­ктором при перестройке компаратора.

 

2.4.4. Применение

Двухпороговые компараторы могут применяться в схемах трехпозиционных регуляторов, для сигнализации технологических параметров и сортировки деталей по трем признакам "норма", "меньше", "больше".

 

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯРАБОТЫ

 

3.1. Собрать на стенде с помощью перемычек схему однопорогового компаратора.

3.2. Снять и построить статическую характеристику компаратора для одного значения опорного напряжения . При снятии характеристики необходимо постепенно увеличивать регулятором напряжения до момента переключения светодиодов VD10и VD11. Предварительно установить опорное напряжение регулятором напряжения в соответствии с вариантами (таблица 3.1.).

 

Таблица 3.1.

	Варианты
, В	2,1	2,2	2,3	2,4	2,5	2,6

 

До переключения светодиодов (при = 0) и в момент переключения зафиксировать с помощью вольтметра напряжение переключения на входе компаратора = = и на его выходе = ,а также на выходе операционного усилителя = . Результаты измерений занести в таблицу 3.2.

 

Таблица 3.2.

, В	, В	, В	, В	= – , В

 

Рис. 2.1 Рис. 2.2

 

 

Рис. 2.3

 

 

Рис. 2.4 Рис. 2.5

 

Рис. 2.6 Рис. 2.7

 

 

 

Рис. 3.1.

По результатам измерений определить порог чувствительности ком­паратора .

3.3. Снять переходный процесс на выходе компаратора и определить время восстановления .

Для этого довести входное напряжение до значения = 100 мВ. Затем скачком подать опорное напряжение (спомо­щью S₂), предварительно установив значение = 105 мВ.