Операционный усилитель в импульсном режиме работы. Компаратор двухвходовый. Мультивибратор симметричный

Операционный усилитель в импульсном режиме работы 

1. Компаратор двухвходовый

Компаратором называют устройство, предназначенное для сравнения двух напряжений: источника сигнала Uin (в исследуемой схеме – U₂) с опорным сигналом Urf (… U₁). В приведенной схеме (рис.1) полярность выходного напряжения определяется большим по уровню напряжением одного из входов. Компаратор часто называют нуль-органом, так как его переключение происходит при  Uin – Urf » 0V.

 

Рис.1

Уровень входного напряжения Uin компаратора ограничивается допустимым синфазным входным напряжением операционного усилителя. Компараторы нашли применение в системах автоматического управления, измерительной техники, а также для построения различных узлов импульсного и цифрового действия (АЦП и ЦАП).

1.1 

-  собрать схему, подключив источники U₁ и U₂. 

-  U₁ = Urf = 2,53 V;  - опорное напряжение, U₂ – входное (контролируемое) напряжение; - снять экспериментальные данные согласно табл.1

-  построить зависимости ... (см. пример на рис.2)

табл.1

U2,(V)	0,5	1,0	2,0	2,3	2,4	2,45	..	2,57	2,73	3,0	4,0
Uout,(V)

 

Рис.2

1.2 

-  изменить опорное напряжение Urf =U₁ = -2,52V;

-  снять экспериментальные данные согласно табл.2

-  построить зависимости ... (см. пример в п.1.1)   табл.2

U2,(V)	-0,5	-1,0	-2,0	-2,3	-2,4	-2,45	..	-2,57	-3,0	-4,0
Uout,(V)

1.3 

-  изменить опорное напряжение Urf =U₁ = 6V;

-  снять экспериментальные данные согласно табл.3

табл.3

U2,(V)	0	1	2	3	4	5
Uout,(V)

1.4 

-  изменить опорное напряжение Urf =U₁ = - 6V;

-  снять экспериментальные данные согласно табл.4 табл.4

U2,(V)	0	-1	-2	-3	-4	-5
Uout,(V)

2. Мультивибратор симметричный

 

Рис.3

Мультивибратор, изображенный на рис.3 состоит из инвертирующего триггера Шмитта, охваченного обратной связью с помощью фильтра нижних частот. Автоколебательный режим создается засчет времязадающей RC-цепи (R8, C6), подключенной к инвертирующему входу операционного усилителя (ОУ).

При достижении потенциала Uc на инвертирующем входе порога срабатывания триггера Шмитта, схема переключается и её выходное напряжение скачком принимает противоположное предельное значение. При этом Uc начинает изменяться в противоположную сторону, пока не достигнет другого порога срабатывания, и схема переключается в первоначальное положение.

Значение напряжения Uc(t), равное порогу срабатывания триггера Шмитта, будет достигнуто спустя время tu1. 

tu1 = R8C6ln1+^ ²R^R109 ^^

Тогда период колебаний мультивибратора будет равен

T = 2tu1= 2R8C6ln1+^ ²R^R109 ^^

При R10 = R9 период колебаний составляет T » 2,2R8C6.

Уровни срабатывания триггера Шмитта для  Ua_max = -Ua_min = Umax  составляют

-  порог включения Uon = -aUmax

-  порог выключения Uoff = aUmax

где   a = ^R10 R10 + R9

2.1  собрать схему. Для 1-го и 2-го канала осциллографа установите масштаб  5 V/ДЕЛ.  Для масштабирования по времени используйте регулировку ВРЕМЯ/ДЕЛ, при этом желательно устанавливать не более 2-х периодов сигнала на экране. По осциллографу определите значения Ua_max, Ua_min, Uoff, Uon, а также временные интервалы t_u1, t_u2 и занесите данные замеров в табл. 5   

 

Рис.4 табл.5

Ua_max, (V)	Ua_min, (V)	Uoff, (V)	Uon, (V)	tu1	tu2	T

2.2  замерьте частоту выходного сигнала мультивибратора. Для этого используйте встроенный частотомер базового модуля, выбрав кнопкой [Fxx/Gen], режим [Fxx]. Выбор режима индицируется светодиодом красного свечения. 

Fxx, (Hz)

      2.3     

-  переключить конденсатор C6 (0,33mkf) на C5 (0,1mkf).  

-  замерить частоту (Fxx) выходного сигнала мультивибратора.

Fxx, (Hz)

      2.4     

-  переключить конденсатор C5 (0,1mkf)на C7 (1mkf), соблюдая полярность электролитического конденсатора.  

-  замерить частоту (Fxx) выходного сигнала мультивибратора.

Fxx, (Hz)

      2.5     

-  заменить резистор R7 (5 kOm) на R5 (1 kOm).

-  замерить частоту (Fxx) выходного сигнала мультивибратора.

Fxx, (Hz)

3. Триггер Шмитта неинвертирующий

Триггер Шмитта (или пороговое устройство) функционально является компаратором, уровни включения и выключения которого не совпадают, как у обычного компаратора, а различаются на величину, называемую гистерезисом переключения DUg.

Триггер Шмитта используется для преобразования входного напряжения произвольной формы в прямоугольное с заданным временем установления, не зависящим от формы входного напряжения.

 

Рис.5

При приложении ко входу этой схемы большого положительного напряжения (Uin), выходное напряжение компаратора составит Uout = Ua_max. При уменьшении входного сигнала (Uin), выходное напряжение триггера (Uout) изменится только при достижении величины  Uin = Uoff.

Uoff =−^ ^{R7 }Ua _ max ,

 R10

При этом, потенциал в точке Up (на положительном входе компаратора) станет равным нулю и выходное напряжение скачком упадет до уровня Ua_min. Процесс опрокидывания схемы, инициированный входным напряжением, зависит только от параметров цепи обратной связи, осуществляемой через резистор R10. Достигнутое состояние сохраняется, пока входное напряжение (Uin) не превысит значения Uin = Uon.

Uon =−^ ^{R7 }Ua _ min.

 R10

      3.1     

- собрать схему. Использовать выход генератора на Rn = 60 [Om]. Установить форму выходного сигнала генератора triangular-wave, частоту (Fxx) - 500 [Hz]. Увеличивая амплитуду выходного сигнала генератора, добиться уверенного срабатывания (переключения ) триггера Шмитта. На экране осциллографа должен быть получен сигнал, соответствующий рис.6.

 

Рис.6

3.2 По осциллографу определите значения Ua_max, Ua_min, Uoff, Uon и занесите данные замеров в табл.6   

табл.6

Ua_max, (V)	Ua_min, (V)	Uoff, (V)	Uon, (V)

      3.3     

-  заменить резистор R10 (10 kOm) на R1* (100 kOm).

-  с помощью подстроечнаго резистора R1* установить (по осциллографу) порог включения   Uon = 2,5V.

      3.4     

-  установить форму выходного сигнала генератора sine-wave;

-  по осциллографу определить пороги включения (Uon) и выключения (Uoff