Цель работы состоит в ознакомлении с принципами построения триггеров Шмитта, аналоговых компараторов и мультивибраторов, реализуемых на операционных усилителях (ОУ), и в экспериментальном исследовании их основных технических характеристик с использованием системы NI ELVIS.
Триггеры Шмитта
Общая часть
Схема триггера Шмитта приведена на рис. 3.1 (РИП – регулируемый источник питания, ЦМ – цифровой мультиметр). Он представляет собой операционный усилитель с цепью положительной обратной связи 
, 
. Триггер Шмитта имеет гистерезисную характеристику передачи (см. рис. 3.2, кривая 1) и может находиться в двух устойчивых состояниях, соответствующих максимальному 
и минимальному 
напряжениям на выходе ОУ.
Рассмотрим работу триггера Шмитта, полагая, что ОУ близок к идеальному. Пусть в начальный момент он находится в состоянии с уровнем выходного напряжения 
(см. рис. 3.2, кривая 1, точка A, 
< 0). В этом случае напряжения 
и 
положительны, что и поддерживает триггер в данном состоянии.
, 
, 
, (3.1)
где 
- коэффициент цепи обратной связи. Если теперь напряжение 
, возрастая, превысит напряжение (3.1), то напряжение 
станет отрицательным, при этом триггер Шмитта перейдет в состояние с уровнем выходного напряжения 
(см. рис. 3.2, кривая 1, точка В)
, 
, 
, 
. (3.2)
Если теперь начать уменьшать напряжение 
, то, когда оно станет меньше напряжения (3.2), напряжение снова станет положительным и триггер Шмитта вернется в исходное состояние (см. рис. 3.2, характеристика 1, точка А).
, 
, 
. (3.3)
Рис.3.1
Рис.3.2
Из соотношений (3.2), (3.3) и рис. 3.2 очевидно, что напряжение гистерезиса 
равно
. (3.4)
Триггеры Шмитта нашли широкое применение в аналоговых компараторах, мультивибраторах, импульсных стабилизаторах напряжения и других электронных устройствах.
Экспериментальная часть
Исследуем работу триггера Шмитта на ОУ, для чего соберем на макетной плате схему, представленную на рис. 3.1 ( 
= 10 кОм; 
= 100 кОм; 
= 100 кОм). В меню запуска инструментов NI ELVIS выберем функции Variable Power Supplies (Регулируемые источники питания) и Digital Multimeter (Цифровой мультиметр). На лицевой панели РИП установим входное напряжение 
= 0 и с помощью ЦМ измерим выходное напряжение 
. Если оно максимально: 
= 
, то фиксируем его и плавно увеличиваем входное напряжение до значения 
, при котором триггер Шмитта изменит свое состояние (см. рис. 3.2, кривая 1). Измеряем напряжения 
, и с использованием РИП отрицательной полярности (SUPPLY-) определяем напряжение 
, при котором триггер возвратится в исходное состояние. По результатам эксперимента необходимо построить характеристику передачи триггера Шмитта (см. рис. 3.2, кривая 1), определить ширину ее гистерезиса и сравнить с расчетной величиной (3.4). Если в начале эксперимента с триггером (см. рис. 3.1) выходное напряжение минимально: = 
, то подключаем к входу РИП отрицательной полярности (SUPPLY-), плавно изменяем входное напряжение 
до значения и т. д.
Аналоговые компараторы
Общая часть
Аналоговыми компараторами называются пороговые устройства, предназначенные для сравнения двух аналоговых сигналов: измеряемого и опорного, с выдачей результата сравнения в виде перепада выходного напряжения. При этом различают компараторы с безгистерезисной и гистерезисной характеристиками передачи.
Схема гистерезисного аналогового компаратора, реализованного на триггере Шмитта, представлена на рис. 3.3. Этот компаратор сравнивает измеряемое напряжение с опорным напряжением 
; при этом оба напряжения должны иметь одинаковую полярность.
Рис.3.3
Работа компаратора (см. рис. 3.3) во многом аналогична работе триггера Шмитта (см. рис. 3.1), но поскольку в компараторе резистор 
подключен к
опорному напряжению 
, то характеристика передачи компаратора (см. рис. 3.2, кривая 2) представляет собой характеристику триггера Шмитта (см. рис. 3.2, кривая 1), смещенную вправо на величину напряжения . При этом напряжения переключения компаратора 
, 
и его напряжение гистерезиса определяются очевидными соотношениями:
, 
,
, (3.5)
Напряжение гистерезиса компаратора уменьшается с уменьшением коэффициента цепи обратной связи 
, т. е. при увеличении сопротивления 
и при 
гистерезисный компаратор превращается в безгистерезисный.
Экспериментальная часть
Исследуем работу гистерезисного аналогового компаратора, реализованного на триггере Шмитта, для чего соберем на макетной плате схему, представленную на рис. 3.3 ( = 10 кОм; = 100 кОм; 
= 100 кОм; 
= 5 В). В меню запуска инструментов NI ELVIS выберем функции Variable Power Supplies (Регулируемые источники питания) и Digital Multimeter (Цифровой мультиметр). Эксперимент аналогичен рассмотренному в 3.1.2; при этом определяем параметры 
, 
, 
, 
, 
характеристики передачи компаратора (см. рис. 3.2, кривая 2) и сравниваем их с расчетными величинами (3.5).
Исключаем в аналоговом компараторе цепь обратной связи ( 
) и повторяем предыдущий эксперимент. Убеждаемся, что при этом гистерезисный компаратор превращается в безгистерезисный. По результатам двух экспериментов необходимо построить характеристики передачи аналогового компаратора.
Мультивибраторы
Общая часть
Мультивибраторы представляют собой генераторы прямоугольных импульсов. Они подразделяются на автоколебательные мультивибраторы, в которых генерация осуществляется непрерывно без внешнего воздействия, и на ждущие мультивибраторы (одновибраторы), формирующие под воздействием внешнего сигнала одиночные прямоугольные импульсы.
Схема симметричного автоколебательного мультивибратора, реализованного на интегральном ОУ, приведена на рис. 3.4. Мультивибратор включает в себя рассмотренный выше триггер Шмитта DA1, R1, R2 и времязадающую цепь C1, R3. На рис. 3.5 представлены временные зависимости выходного 
и входного 
напряжений мультивибратора (T – период колебаний мультивибратора).
Рассмотрим работу мультивибратора (см. рис. 3.4). Пусть в момент времени t = 0 мультивибратор переходит по выходу из состояния в состояние (см. рис. 3.5). При этом конденсатор C1 начинает заряжаться по цепи R3, C1 от начального значения 
. Напряжение на конденсаторе возрастает, оно возрастало бы до значения 
, но в момент времени 
, когда это напряжение достигает значения , срабатывает триггер Шмитта (см. рис. 3.2, 3.5), напряжение на выходе мультивибратора изменяется до значения , и конденсатор C1 начинает разряжаться. Он разряжался бы до значения , но в момент времени 
, когда входное напряжение достигает значения 
, опять срабатывает триггер Шмитта, мультивибратор переходит по выходу в состояние 
, и далее весь процесс повторяется (см. рис. 3.5).
Рис.3.4
Рис.3.5
Определим длительность периода колебаний мультивибратора T при следующих допущениях:
, 
. (3.6)
Напряжение на конденсаторе C1изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени 
; при этом в первый полупериод получаем:
. (3.7)
В момент времени это напряжение достигнет значения 
(см. рис. 3.5); при этом соотношение (3.7) примет вид:
. (3.8)
Тогда с учетом допущений (3.6) получаем:
. (3.9)
Длительность фронтов 
прямоугольных импульсов на выходе мультивибратора определяется максимальной скоростью нарастания выходного напряжения ОУ :
. (3.10)
Экспериментальная часть
Проведем исследование работы симметричного автоколебательного мультивибратора с использованием осциллографа ОСЦ (см. рис.3.4 – 
= 10 кОм; = 100 кОм; 
= 100 кОм; 
= 0,01 мкФ). В меню запуска инструментов NI ELVIS выберем функцию Oscilloscope (Осциллограф). В качестве источника для канала А на лицевой панели осциллографа установим [BNC/Board CH A]; в качестве источника триггерного сигнала выберем СН А. Запустим ОСЦ в непрерывном режиме и понаблюдаем за выходным напряжением генератора. Измеряем частоту и амплитуду колебаний мультивибратора, определяем их период и сравниваем его с расчетной величиной (3.9).
Экспериментальным путем находим длительность фронта 
прямоугольных импульсов на выходе мультивибратора, из соотношения (6.10) определяем максимальную скорость нарастания выходного напряжения ОУ 
и выясняем, соответствует ли она паспортным данным ОУ ( > ).
Содержание отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
– изложение цели работы;
– основные схемы и расчетные соотношения для триггеров Шмитта, аналоговых компараторов и мультивибраторов, реализуемых на интегральных ОУ.
– результаты измерения основных параметров триггеров Шмитта, аналоговых компараторов и мультивибраторов;
– выводы по работе.
3.5. Контрольные вопросы
1. Что собой представляет триггер Шмитта?
2. В чем состоит принципиальное отличие триггера Шмитта от инвертирующих и неинвертирующих решающих усилителей?
3. В каких электронных устройствах используется триггер Шмитта?
4. Что собой представляет аналоговый компаратор?
5. При каких условиях гистерезисный компаратор превращается в безгистерезисный?
6. В чем состоит отличие друг от друга характеристик передачи триггера Шмитта и гистерезисного компаратора?
7. Что такое мультивибратор?
8. В чем состоит отличие автоколебательного мультивибратора от одновибратора?
9. Представляет ли собой автоколебательный мультивибратор устойчивую систему?
10. Чем определяется длительность фронтов прямоугольных импульсов на выходе мультивибратора?
Дата: 2019-12-10, просмотров: 531.
