Порядок выполнения эксперимента

· Соберите цепь ФНЧ (рис.3.8.2а и 3.8.3) с параметрами элементов, соответствующих фильтру Баттерворта (табл.3.8.1).

· Включите блок генераторов напряжений и установите на входе фильтра синусоидальное напряжение U₁ = 5 В (действующее значение).

Примечания:1)Не используйте множитель «×100», так как на этом диапазоне выходное напряжение генератора снижается. 2) На линейных участках АЧХ не обязательно снимать все точки, указанные в табл.3.8.1.

· Изменяя частоту напряжения генератора согласно табл.3.8.1, снимите зависимость напряжения на выходе фильтра от частоты U₂(f).

· Рассчитайте значения амплитудно-частотной характеристики в децибелах и на рис. 3.8.4 постройте график A(f).

· По графику определите и укажите на рисунке частоту среза f_с, отклонение а частотной характеристики в полосе пропускания и наклон АЧХ в точке f = f_c.

· Повторите все опыты для других схем и параметров, указанных в табл.3.8.1.

· Сделайте сравнение характеристик фильтров Баттерворта и фильтров Чебышева

Таблица 3.8.1

Рис. 3.8.3 (ФНЧ)

Рис.3.8.4 (ФНЧ)

Рис. 3.8.5 (ФВЧ)

Рис. 3.8.6 (ФВЧ)

Рис. 3.8.7 (Полосовой фильтр)

Рис. 3.8.8 (Полосовой фильтр)

3.9. Исследование простейшего логарифмирующего преобразователя
на операционном усилителе

Общие сведения

На рис. 3.9.1а и б приведены схемы простейших логарифмических преобразователей.

Рис. 3.9.1

Ток p-n приблизительно описывается выражением:

где U – напряжение, приложенное к переходу в прямом направлении; I₀ – обратный (тепловой) ток; j_q - температурный потенциал. Для кремниевого диода при комнатной температуре 20⁰С I₀@1нА, а j_q @25 мВ.

В схеме рис.3.9.1а. ток диода равен входному току U₁/R₁, а прямое напряжение на диоде U = - U₂, поэтому:

или

откуда;

При (*):

.

Первое слагаемое в этом выражении выходного напряжения пропорционально логарифму входного напряжения, а второе – постоянная величина, которая может быть учтена в последующих звеньях преобразования сигнала.

Эта схема очень проста, но имеет большие отклонения от идеальной логарифмической характеристики и сильную чувствительность к изменениям температуры. Удовлетворительная точность логарифмирования в ней может быть получена при изменении входного напряжения в пределах двух – трёх декад.

Несколько более широкий диапазон (до четырёх декад) может обеспечить схема, приведённая на рис. 3.9.1б. Она аналогична предыдущей схеме, но вместо диода в ней используется транзистор в диодном включении. Диод в этой схеме служит для защиты эмиттерного перехода транзистора от обратного напряжения. Тепловой ток маломощных транзисторов меньше теплового тока диода (около 0,1 нА), поэтому условие (*) выполняется в более широком диапазоне изменения U₁.

Экспериментальная часть

Задание

Снять передаточные характеристики U₂(U₁) логарифмических преобразователей, схемы которых изображены на рис. 3.9.1а и б. Построить их графики в логарифмическом масштабе по оси U₁.

Порядок выполнения экспериментов

· Соберите цепь логарифмирующего преобразователя с транзистором (рис. 3.9.2). Делитель напряжения в этой схеме (100 кОм /100 Ом) служит для получения малых напряжений на входе операционного усилителя.

Рис. 3.9.2

· Устанавливая регулятором напряжения «-13…+13 В» напряжения U₁, указанные в табл. 3.9.1 (положительной полярности!), снимите зависимость U₂(U₁). По мере увеличения входного напряжения меняйте верхнее сопротивление делителя сначала на 10 кОм, затем – на 1 ком, и , наконец, вставьте вместо него перемычку.

· На рис. 3.9.3. постройте график U₂(U₁) который в принятом логарифмическом масштабе должен быть примерно прямолинейным.

· Уберите из схемы транзистор, а диод переверните катодом вниз. Ещё раз снимите зависимость U₂(U₁) и на том же рисунке постройте график.

· Сравните графики и объясните их различие.

Таблица 3.9.1

Рис.3.9.3

Исследование генератора синусоидальных колебаний на операционном усилителе

Общие сведения

Простейшая схема RC генератора синусоидальных колебаний на операционном усилителе приведена на рис. 3.10.1а. В ней операционный усилитель включён по неинвертирующей схеме, а в качестве звена положительной обратной связи используется полосовой фильтр со средней частотой w₀ = 1/RC. Такая схема называется мостовым генератором Вина.

Фазовый сдвиг фильтра на средней частоте равен нулю, а коэффициент передачи - b(w₀) = 1/3.

Известно, что условием возникновения стационарных колебаний в замкнутой системе является равенство выходного напряжения обратной связи и входного напряжения усилителя, т.е.:

,

где K_U – коэффициент усиления усилителя.

Отсюда следует, что для возникновения стационарных колебаний должно выполняться условие

.

При выполнении этого условия в схеме с идеальным операционным усилителем будут существовать незатухающие колебания с частотой f = 1/2pRC. Однако амплитуда этих колебаний будет неопределённой. Самое незначительное уменьшение R₂ приведёт к нарастанию амплитуды до уровня ограничения выходного напряжения усилителя по питанию, а незначительное увеличение – к затуханию колебаний.

Рис. 3.10.1

Эти обстоятельства требуют применения в составе генератора системы автоматического регулирования амплитуды. Один из возможных вариантов схемы с автоматическим регулированием амплитуды изображён на рис. 3.10.1.б. В ней резистор R₂ зашунтирован полевым транзистором с последовательно включённым сопротивлением. Параметры цепи выбираются так, чтобы при малой амплитуде выходного сигнала транзистор бы открыт и эквивалентное сопротивление цепи R_2ЭКВ с параллельно включённой цепочкой было заведомо меньше, чем 0,5R₁. Это обеспечивает возникновение колебаний и нарастание амплитуды. Когда амплитуда достигнет напряжения пробоя стабилитрона с последовательно включённым диодом, на затвор подаётся отрицательное напряжение, транзистор увеличивает своё сопротивление и дальнейший рост амплитуды прекращается. Надо иметь в виду, что такая простая цепь автоматического регулирования амплитуды несколько искажает форму выходного генератора.

Задание

В цепи без автоматического регулирования амплитуды определить экспериментально соотношение сопротивлений R₁ и R₂, при котором возникают колебания. Определить частоту этих колебаний. В цепи с автоматическим регулированием амплитуды экспериментально определить эквивалентное сопротивление цепи R_2ЭКВ с параллельно включенной цепью полевого транзистора. В обоих случаях снять кривую выходного напряжения генератора.