Файл: Г. Л. ШтрапенинВ. Т. ШныревЭлектроника и схемотехника.pdf

37
Соберите схему, изображенную на рис. 5.11, параметры элементов R1, R2,
C1, C2 выбираются по указанию преподавателя.
Рис. 5.11. Избирательный RC-усилитель на ОУ
Подайте на вход схемы синусоидальное напряжение от генератора сигна- лов, а к выходу подключите милливольтметр или осциллограф.
Включите тумблер «Сеть» базового блока.
Установите величину входного напряжения U
вх
= 0,5 В.
Снимите амплитудно-частотную характеристику избирательного усили- теля. Результаты занесите в табл. 5.1.
Таблица 5.1
f, Гц
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
U
вых
, В
К = U
вых
/U
вх
Постройте АЧХ усилителя и определите частоту F
0
, на которой коэффи- циент усиления максимален, и значение этого коэффициента К
max
5.3.5.
Исследование триггера Шмитта
Соберите схему триггера Шмитта, изображенную на рис. 5.12.

38
Рис. 5.12. Триггер Шмитта на ОУ
На вход схемы подайте напряжение синусоидальной формы от генератора сигналов частотой 1000 Гц и амплитудой 5 В.
К выходу схемы подключите осциллограф.
Включите тумблер «Сеть» базового блока.
Зарисуйте формы входного и выходного напряжений.
Определите величины U
ср и U
отп и постройте передаточную характери- стику триггера U
вых
= f(U
вх
).
Повторите измерения для других значений R1 и R
ос по указанию препода- вателя.
5.3.6.
Исследование мультивибратора на ОУ
Соберите схему мультивибратора на ОУ, изображенную на рис. 5.13, ем- кость конденсатора С1 установите 0,1 мкФ. К выходу схемы подключите ос- циллограф.
Рис. 5.13. Мультивибратор на ОУ

39
0 V
DC 1MW
0.000
V
+
-
15 V
20kΩ
60kΩ
741
15 V
0 V
DC 1MW
0.000
V
+
-
15 V
20kΩ
60kΩ
741
15 V
Включите тумблер «Сеть» базового блока.
Зарисуйте формы напряжений на выходе схемы и на конденсаторе С1.
Определите период и рассчитайте частоту колебаний выходного напряжения.
Повторите измерения и расчеты для емкости конденсатора С1 = 0,033 мкФ.
5.4.
Выполнение работы с использованием программы моделирования электронных устройств Multisim
5.4.1.
Для снятия передаточной характеристики ОУ с ООС в схеме не- инвертирующего усилителя соберите схему, приведенную на рис. 5.14. Активи- зируйте схему. Изменяя входное напряжение ОУ и фиксируя значение выход- ного напряжения, снимите прямую ветвь передаточной характеристики. Необ- ходимое количество измерений установите самостоятельно. Измените поляр- ность включения генератора входного напряжения путем удаления его из схе- мы, переворота на 180
о и последующего подключения, и аналогично снимите обратную ветвь передаточной характеристики. Постройте передаточную харак- теристику ОУ и определите коэффициент усиления и рабочий диапазон вход- ных и выходных напряжений.
5.4.2.
Для снятия передаточной характеристики ОУ с ООС в схеме ин- вертирующего усилителя соберите схему, приведенную на рис. 5.15. Повторите измерения п. 5.4.1. Постройте передаточную характеристику на том же графике и определите коэффициент усиления и рабочий диапазон входных и выходных напряжений. Сделайте выводы.
Рис. 5.14. Неинвертирующий усилитель на ОУ
Рис. 5.15. Инвертирующий усилитель на ОУ
5.4.3. Соберите схемы инветирующего интегратора и дифференциатора,
изображенные на рис. 5.16 и рис. 5.17. Следует отметить, что резисторы 1 Мом и 5 кОм, включенные параллельно конденсатору интегратора и последователь- но с конденсатором дифференциатора соответственно, необходимы только для корректной работы программы моделирования.

40
15 V
10kΩ
15 V
1nF
A
B
Ext T rig
+
+
_
_
+
_
741
1MΩ
15 V
5kΩ
15 V
A
B
Ext Trig
+
+
_
_
+
_
741
100kΩ
2nF
Рис. 5.16. Интегрирующий Рис. 5.17. Дифференцинующий усилитель на ОУ усилитель на ОУ
Установите форму напряжения функционального генератора – прямо- угольный импульс, частоту 1 кГц, амплитуду 100 мВ. Проверьте работу уст- ройств и зарисуйте с экрана осциллографа временные зависимости входного и выходного напряжения. Сделайте выводы.
5.4.4. Для исследования избирательного RC усилителя соберите схему,
изображенную на рис. 5.18. Функциональный генератор, подключенный к вхо- ду усилителя, необходим для корректной работы программы моделирования,
его параметры в данном случае не имеют значения, и их можно оставить по умолчанию. Установите пределы изменения частоты измерителя частотных ха- рактеристик от 100 Гц до 10 кГц, а пределы измерения амплитуды от -20 дБ до
40 дБ. Активизируйте схему. Срисуйте с экрана измерителя изображение АЧХ.
При помощи маркера определите частоту и коэффициент максимального уси- ления. Сделайте выводы.
IN
OUT
10nF
82kΩ
10nF
1.6kΩ
12 V
12 V
741
Рис. 5.18. Избирательный RC усилитель на ОУ
5.4.5. Для исследования триггера Шмитта на ОУ соберите схему, изобра- женную на рис. 5.19.

41
Рис. 5.19. Триггер Шмитта на ОУ
Установите синусоидальную форму выходного напряжения функцио- нального генератора, амплитуду 5 В и частоту 10 Гц. Активизируйте схему и зарисуйте форму входного и выходного напряжений с экрана осциллографа.
Определите значения напряжения срабатывания и отпускания триггера Шмитта и постройте зависимость выходного напряжения от входного. Измените сопро- тивление резистора Rос на 5 кОм и повторите измерения. Сделайте выводы.
5.4.6. Для исследования мультивибратора на ОУ соберите схему, изобра- женную на рис. 5.20.
Рис. 5.20. Мультивибратор на ОУ
Установите сопротивление переменного резистора R4 50 %. Активизи- руйте схему и зарисуйте изображение с экрана осциллографа. Определите час- тоту и амплитуду колебаний. Изменяя сопротивление резистора R4 (10 % и
90 %), исследуйте его влияние на частоту и форму колебаний генератора. Сде- лайте выводы. Повторите измерения для емкости конденсатора С1 0,1 мкФ.
Сделайте выводы.

42 5.5. Содержание отчета
Цель работы.
Принципиальные схемы установок для проведения эксперимента.
Данные экспериментов – осциллограммы входных и выходных напряже- ний, передаточные и амплитудно-частотные характеристики.
Выводы.
5.6. Контрольные вопросы
Что такое операционный усилитель, к какому классу усилителей его можно отнести?
Что такое передаточная характеристика ОУ?
Изобразите схему неинвертирующего усилителя на ОУ.
Изобразите схему инвертирующего усилителя на ОУ
Изобразите схему интегрирующего усилителя на ОУ.
Изобразите схему дифференцирующего усилителя на ОУ.
Изобразите схему избирательного усилителя на ОУ.
Изобразите схему триггера Шмитта на ОУ и поясните назначение эле- ментов схемы.
Какой режим работы ОУ используется в схемах триггера Шмитта и муль- тивибратора.
Поясните работу компаратора на ОУ.
Поясните работу мультивибратора на ОУ.
Какие свойства ОУ используются для реализации импульсных схем?

43
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6
ИЗУЧЕНИЕ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО
И ЦИФРО-АНАЛОГОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
6.1.
Цель работы: знакомство с принципом действия и схемными реа- лизациями аналого-цифрового (АЦП) и цифро-аналогового (ЦАП) преобразо- вателей. Исследование зависимостей между цифровыми и аналоговыми сигна- лами АЦП и ЦАП.
6.2.
Краткие сведения из теории
В современной технике широко используется обработка и передача не- прерывных сообщений в виде дискретных сигналов. В этом случае непрерыв- ное сообщение необходимо преобразовать в дискретное, данный процесс назы- вается дискретизацией и состоит в замене непрерывной функции совокупно- стью ее мгновенных значений в определенные моменты отсчета.
Дискретизация аналогового сигнала по уровням называется квантованием и сводится к замене точных мгновенных значений функции ближайшими раз- решенными значениями дискретных уровней по установленной шкале.
Дискретизация по времени и уровню позволяет преобразовать непрерыв- ное сообщение в дискретное, которое затем кодируется, т. е. представляется в виде последовательности кодовых комбинаций (в цифровой форме). Преобра- зование осуществляется с помощью специальных устройств – аналого- цифровых преобразователей (АЦП), являющихся составной частью систем цифровой передачи непрерывных сообщений (передающей стороны).
На приемном конце с помощью цифро-аналоговых преобразователей
(ЦАП) производится обратное преобразование цифрового сигнала в непрерыв- ное сообщение. Структурная схема системы цифровой передачи непрерывного сообщения изображена на рис. 6.1.
Из структурной схемы видно, что преобразование аналог–цифра включа- ет в себя три операции: дискретизацию по времени, квантование по уровням и кодирование. Полученная на выходе АЦП последовательность U
1
(t) двоичных импульсов в передатчике преобразуется в последовательность U
2
(t) радиоим- пульсов, которая затем по линии связи поступает на вход приемника.
В приемнике принятая последовательность радиоимпульсов U
2
(t) (для случая использования радиосвязи) демодулируется и в виде последовательно- сти U’
1
(t) импульсов поступает на цифро-аналоговый преобразователь, состоя- щий из декодера и сглаживающего фильтра.
Декодер преобразует кодовые комбинации в квантованную последова- тельность разрешенных отсчетов (уровней), а сглаживающий фильтр восста- навливает непрерывное сообщение по квантованным значениям. При этом воз- никает погрешность, не превышающая половины шага квантования (шум кван- тования).

44
Рис. 6.1. Структурная схема системы цифровой передачи непрерывного сообщения
Схемные реализации АЦП в основном базируются на использовании трех методов: параллельного, весового и числового.
При параллельном методе входное напряжение АЦП сравнивается с на- бором опорных напряжений и определяется, между какими двумя уровнями лежит U
вх
Рассмотрим схему трехразрядного параллельного АЦП (рис. 6.2), выход- ной код которого, как известно, состоит из восьми чисел, включая нуль. Таким образом, понадобится семь (2 3
-1) компараторов и семь опорных напряжений,
которые легко получить с помощью делителей напряжений. Для преобразова- ния выходных сигналов компараторов А1...А7 в двоичный код в схему АЦП
включается приоритетный шифратор CD.
Входное напряжение U
вх подается одновременно на неинвертирующие входы компараторов А1...А7. Опорное напряжение U
о с помощью резистивного делителя квантуется и соответственно подается на инвертирующие входы ком- параторов. Число уровней квантования равно 2
n
–1, т.е. для 3-х-разрядного кода равно 2 3
–1=7 и соответствует числу компараторов.
Устройство работает следующим образом. Если U
вх превышает опорное напряжение на соответствующем компараторе, то на его выходе появляется ло- гический уровень «1», если же U
вх меньше опорного напряжения – на выходе будет логический «0». При возрастании входного напряжения U
вх компараторы устанавливаются в состояние «1» поочередно – снизу вверх (от младшего раз- ряда к старшему). С выходов компараторов сигналы поступают на шифратор
СD, который служит для преобразования унитарного кода в двоичный.

45
Рис. 6.2. Структурная схема параллельного АЦП
Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) используются для преобразо- вания цифрового кода в мгновенное значение аналогового сигнала, пропорцио- нально весовым коэффициентам разрядов двоичной системы счисления. Это преобразование может быть осуществлено с помощью матрицы резисторов с весовыми двоично взвешенными сопротивлениями или с помощью матрицы резисторов R - 2R с двумя номиналами сопротивлений.
В основе первой схемы ЦАП лежит суммирование весовых токов
(рис. 6.3).

46
Рис. 6.3. Структурная схема ЦАП с суммированием весовых токов
Сопротивления резисторов в схеме ЦАП выбирают такими, чтобы при замкнутых электронных ключах SW1
¼
SW4 через них протекал ток, соответст- вующий весу разряда. Ключ замкнут тогда, когда в соответствующий разряд поступает логическая единица. Для суммирования весовых токов включен опе- рационный усилитель, охваченный цепью отрицательной обратной связи. Не- достатком данной схемы является то, что номиналы сопротивлений резисторов в младшем и старшем разрядах отличаются в 2
(n-1)
раз и должны быть высоко- точными.
Этот недостаток устраняется в схеме ЦАП с матрицей постоянного импе- данса (матрица типа R - 2R). При использовании цепочки резисторов R-2R
вклад каждого разряда в выходной сигнал пропорционален его двоичному весу
(рис. 6.4).
Рис. 6.4. Структурная схема ЦАП с матрицей R - 2R

47
Принципиальная схема установки для изучения АЦП и ЦАП изображена на рис. 6.5 и включает в себя параллельный АЦП на компараторах А1–А7 с приоритетным дешифратором D1, который преобразует унитарный выходной код АЦП в двоичный.
Рис. 6.5. Принципиальная схема установки для изучения АЦП и ЦАП

48
Светодиоды VD1–VD10 индицируют состояния на выходах АЦП. ЦАП
выполнен по схеме суммирования весовых токов на операционном усилителе
А8 и резисторах R9–R12. Сигналы на вход ЦАП подаются через мультиплексор
D2 и выбираются переключателем SA. В положении переключателя «КОД» на входы ЦАП подаются цифровые сигналы с переключателей SA1–SA3, а в поло- жении «АЦП» – цифровые сигналы с выхода АЦП.
6.3.
Порядок выполнения работы
6.3.1.
Исследование аналого-цифрового преобразователя
К входу АЦП подключите вольтметр для измерения постоянного напря- жения и встроенный источник постоянного напряжения базового блока
(рис. 6.5). Выведите потенциометр установки U
н1
базового блока влево до упо- ра, при этом входное напряжение АЦП U
вх
= 0. Включите тумблер «Сеть» базо- вого блока.
Плавно увеличивая U
н1
, зафиксируйте момент, когда загорится светодиод
VD1 на выходе компаратора и светодиод VD8 на выходе шифратора АЦП, что соответствует кодовой комбинации 001. Замерьте U
вх
. Далее, плавно увеличи- вая U
н1
, зафиксируйте моменты загорания светодиодов VD2
¼
VD7 и светодио- дов VD8
¼
VD10, отмечая соответствующие им значения U
вх и кодовых комби- наций. Результаты занесите в табл. 6.1.
Таблица 6.1
Переключение светодиодов
Код на выходе
U
вх
U
расч
D
U
D
U %
0-1 001 0.5U
мр
1-2 010 1.5 U
мр
2-3 011 2.5 U
мр
3-4 100 3.5 U
мр
4-5 101 4.5 U
мр
5-6 110 5.5 U
мр
6-7 111 6.5 U
мр
Запишите значения U
вх max
, соответствующее коду 111 (горят все три све- тодиода VD8
¼
VD10 на выходе АЦП).
Вычислите величину напряжения, соответствующего единице младшего разряда
7
max вх мp
U
U
=
Определите U
расч для каждого значения кодовых комбинаций и внесите его в табл. 6.1.

49
Рассчитайте для каждого из этих значений погрешности по формулам:
вх расч
U
U
U
-
=
D
;
%
100
%
ðàñ÷
×
D
=
D
U
U
U
и сведите их в табл. 6.1.
По данным таблицы 6.1 постройте характеристику преобразования АЦП
– зависимость выходного кода от входного напряжения U
вх
.
Рис. 6.6. Характеристика преобразования АЦП
6.3.2.
Исследование цифроаналогового преобразователя
Поставьте переключатель «КОД-АЦП» в положение «КОД» (рис. 6.5).
При этом к входу ЦАП подключаются переключатели набора кода SA1–SA3. К
выходу ЦАП подключите вольтметр для измерения постоянного напряжения c пределом измерений не менее 5 В.
Устанавливая переключатели кода SA1–SA3 в соответствии с табл. 6.2,
фиксируйте значения напряжения U
вых на выходе ЦАП. Результаты сведите в табл. 6.2.
Отметьте значение U
вых max
, при котором все три переключателя «КОД»
находятся в положении «1». Определите значение напряжения, соответствую- щего единице младшего разряда
7
max вых мр
U
U
=
Рассчитайте погрешность по формулам:
вх расч
U
U
U
-
=
D
;
расч
%
100%
D
D
=
×
U
U
U
Код
U
вх
, В
000 001 010 111 110 101 100 011