ВЫПОЛНЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Лабораторный Практикум

по дисциплине

«Автоматика»

для студентов инженерного факультета специальностей

110302 «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства»,

110303 – «Механизация переработки сельскохозяйственной продукции»,

110304 – «Технология обслуживания и ремонта машин в АПК»

Мичуринск 2008г.

УДК 631.171

Рецензент:

к.т.н., доцент кафедры «Механизация переработки и хранения сельскохозяйственной продукции» С.Д. Алехин

Утверждено на заседании кафедры ЭАСХ

Протокол №___ от «__» ________2008 г.

Лабораторный практикум. Автоматика / авт. сост. А.С. Гордеев, А.В. Вылгин. – Мичуринск: МичГАУ, 2008. - 62с.

©Издательство Мичуринского государственного университета, 2008

СОДЕРЖАНИЕ

Общие сведения..……………………………………………………………...4

Лабораторная работа №1 Исследование характеристик полупроводниковых диодов и устройств на их основе……………………………………………….

Лабораторная работа №2 Исследование характеристик биполярного транзистора……………………………………………………………………….

Лабораторная работа №3 Исследование схем на основе операционного усилителя………………………………………………………………………….

Лабораторная работа №4 Исследование характеристик аналоговых компараторов напряжения………………………………………………………

Лабораторная работа №5 Исследование цифровых систем…………………..

Литература…………………………………………………………………….

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ

Лабораторные работы являются одним из видов практического обучения. Они позволяют приобрести студентам основные навыки в сборке электрических схем и закрепить знания, полученные в процессе изучения теории. Для качественного и своевременного выполнения лабораторных работ, каждый студент должен:

- в отчете записать номер, название и цель лабораторной работы;

- ознакомиться с описанием и порядком выполнения лабораторной работы;

- изучить теоретический материал, относящийся к лабораторной работе по конспекту и литературе;

- подготовить рабочие схемы;

- письменно ответить на контрольные вопросы.

ВЫПОЛНЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Допущенный к лабораторной работе студент знакомится с рабочим местом, наличием и расположением элементов лабораторного стенда, техническими характеристиками основных аппаратов, их паспортными данными. После этого студенты собирают электрическую цепь и предъявляют ее для проверки преподавателю.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ РАБОТ

При выполнении лабораторных работ следует соблюдать общие правила техники безопасности, изложенные в инструкции, имеющейся в лаборатории. Кроме того, при выполнении лабораторных работ необходимо учитывать особенности питания лаборатории. Лаборатория питается от сети 220 В с изолированной нейтралью, то есть нулевой проводник отсутствует и при выполнении лабораторных работ линейное напряжение равно 220 В.

Основные правила по технике безопасности при выполнении лабораторных работ в лаборатории:

1.3.1. Студенты допускаются к занятиям в лаборатории после проведения с ними инструктажа по технике безопасности с обязательной росписью в журнале инструктажа по технике безопасности. Перед выполнением каждой работы проводится инструктаж на рабочем месте с учетом особенностей данной работы.

1.3.2. Перед началом сборки электрической цепи следует убедиться в том, что автоматический выключатель, питающий лабораторный стенд выключен.

1.3.3. При выполнении лабораторных работ с использованием электрооборудования, имеющего движущиеся части, нельзя приближаться к этим частям во время включения лабораторного стенда.

1.3.4. При использовании в лабораторных работах трансформаторов тока необходимо следить за надежностью крепления проводов во вторичных цепях, так как работа трансформаторов тока без нагрузки во вторичной цепи недопустима.

1.3.5. Собранная электрическая цепь должна быть проверена преподавателем и может включаться только по его разрешению.

1.3.6. Перед включением электрической цепи необходимо убедиться в том, что никто не прикасается к оголенным токоведущим частям.

1.3.7. Перед разборкой схемы, после ее проверки необходимо убедиться в том, что автоматический выключатель, питающий лабораторный стенд, отключен.

СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА И ЕГО СДАЧА

Отчет по лабораторной работе является документом о проделанной работе. Отчет должен содержать номер и название лабораторной работы, ее цель, краткие теоретические сведения, схемы электрических цепей. Отчет составляется каждым студентом самостоятельно.

При оформлении отчета обязательно следует соблюдать требования ЕСКД. Схемы выполняются с применением чертежных инструментов. При составлении схем должны соблюдаться стандартные условно-графические и позиционные обозначения соответствующие ГОСТ.

После выполнения лабораторной работы и подготовки отчета, проводиться его сдача. Студенты должны знать ответы на контрольные вопросы, уметь пояснить принцип работы лабораторной установки по схемам.

Сдача отчета по лабораторной работе проводиться в определенное преподавателем время.

Лабораторная работа №1

Исследование характеристик полупроводниковых диодов и устройств на их основе

1. Цель работы

Целью работы является:

• исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) выпрямительного полупроводникового диода;

• исследование работы полупроводниковых выпрямителей.

2. Сведения, необходимые для выполнения работы

Перед выполнением работы полезно ознакомиться со следующими вопросами:

• устройство, назначение и основные характеристики выпрямительных и специальных полупроводниковых диодов;

• ВАХ полупроводниковых приборов;

• схемы включения полупроводниковых диодов;

• принципы построения схем и особенности работы диодных выпрямителей.

Полупроводниковый прибор, который имеет два электрода и один (или несколько) p-n-переходов, называется диодом.

Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы выпрямляемого тока они делятся на низкочастотные, высокочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n-переходов, например явление пробоя, фотоэффект, наличие участков с отрицательным сопротивлением и другие. Специальные полупроводниковые диоды находят, в частности, применение для стабилизации постоянного напряжения, регистрации оптического излучения, формирования электрических сигналов и т. д.

Выпрямительный диод

Выпрямительные полупроводниковые диоды изготавливаются, как правило, из кремния, германия или арсенида галлия. Классифицировать выпрямительные полупроводниковые диоды можно по конструкции и технологии изготовления. В зависимости от конструкции такие диоды делятся на плоскостные и точечные, а в зависимости от технологии изготовления - на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Плоскостные диоды имеют большую площадь p-n-перехода и используются для выпрямления больших токов (до 30 А). Точечные диоды имеют малую площадь p-n-перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов (до 30 мА).

Обычно выпрямительный полупроводниковый диод нормально работает при напряжениях, лежащих в диапазоне до 1000 В. При необходимости увеличения выпрямляемого напряжения используются выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных полупроводниковых диодов, в этом случае выпрямляемое напряжение удается повысить вплоть до 15 000 В.

Предназначенные для выпрямления больших токов выпрямительные полупроводниковые диоды большой мощности называют силовыми. Они позволяют выпрямлять токи силой вплоть до 30 А. Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия, поскольку германий характеризуется сильной зависимостью обратного тока через p-n-переход от температуры.

Сплавные диоды чаще всего используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц и изготавливаются из кремния. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шоттки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Наилучшими частотными характеристиками обладают арсенидгаллиевые выпрямительные диоды, способные работать в диапазоне частот до нескольких мегагерц.

Основные характеристики полупроводникового диода можно получить, анализируя его ВАХ. При исследовании ВАХ следует принимать во внимание, что зависимость тока I через p-n-переход от падения напряжения U на переходе опи­сывается уравнением Эберса-Молла:

, (1.1)

где I_s - обратный ток насыщения диода, а φ_Т - тепловой потенциал.

Поскольку для полупроводниковых материалов при Т = 300 К тепловой потенциал φ_Т= 25 мВ, то уже при U = 0,1 В можно пользоваться упрощенной формулой:

(1.2)

Важным параметром, характеризующим свойства диода, является дифференциальное сопротивление p-n-перехода, равное отношению приращения падения напряжения на диоде к приращению тока через диод:

(1.3)

Дифференциальное сопротивление можно вычислить, используя выражения (1.2) и (1.3), а именно:

или

При протекании большого тока (в зависимости от типа диода этот ток может быть от единиц до десятков миллиампер) через p-n-переход в объеме полупроводника падает значительное напряжение, пренебрегать которым нельзя. В этом случае уравнение Эберса-Молла приобретает вид:

(1.5)

где R - сопротивление объема полупроводникового кристалла, которое называют последовательным сопротивлением.

На рисунке 1.1 а приведено условное графическое обозначение полупроводникового диода на электрических схемах, его структура - на рисунке 1.1 б. Электрод диода, подключенный к области р,называют анодом, а электрод, подключенный к области n, -катодом. Статическая вольтамперная характеристика диода показана на рисунок 1.1 в.

Рисунок 1.1 - Условное обозначение (а), структура (б) и статическая вольтамперная характеристика (в) полупроводникового диода

Стабилитрон

Стабилитрон - это полупроводниковый диод, p-n- переход которого работает в режиме лавинного пробоя. Такой режим возникает при смещении р-п-перехода в обратном направлении. В режиме лавинного пробоя в широком диапазоне изменения тока через диод падение напряжения на нем остается практически неизменным. На рисунке 1.2 (а, б) показано схематическое изображение стабилитронов, а на рисунке 1.2в приведена типовая ВАХ.

Рисунок - 1.2 Схематическое изображение стабилитронов

(а - односторонний, б - двухсторонний) и их ВАХ (в) UCT - напряжение стабилизации

Лавинный ток для типового маломощного кремниевого стабилитрона составляет примерно 10 мА, поэтому для ограничения тока через стабилитрон последо­вательно с ним включают ограничительное сопротивление R_B (рисунок 1.3а). Если лавинный ток таков, что мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает предельно допустимого значения, то в таком режиме прибор может работать неограниченно долго. Для большинства стабилитронов предельно допустимая рассеиваемая мощность составляет от 100 мВт до 8 Вт.

Рисунок 1.3 Схема включения стабилитрона (а) и стабистора (б)

R_б- балластный резистор, U_вx - входное напряжение,

U_cт - стабилизированное напряжение

Иногда для стабилизации напряжения используют тот факт, что прямое падение напряжения на диоде слабо зависит от силы протекающего через p-n-переход тока. Приборы, в которых используется этот эффект, в отличие от стабилитронов называются стабисторами. В области прямого смещения падение напряжения на р-п-переходе составляет, как правило, 0,7 - 2В, поэтому стабисторы позволяют стабилизиро­вать только малые напряжения (не более 2 В). Для ограничения тока через стабистор последовательно с ним также включают сопротивление R_B (рисунок 1.3б).

Рисунок 1.4 - Линеаризованная характеристика стабилитрона

Дифференциальное сопротивление стабилитрона - это параметр, который характеризует наклон его вольтамперной характеристики в области пробоя:

(1.6)

На рисунок 1.4 показан линеаризованный участок ВАХ стабилитрона, который позволяет определить дифференциальное сопротивление прибора.

Лабораторная работа №2

Цель работы

Целью работы является:

• определение коэффициента передачи транзистора по постоянному току;

• получение входной характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером;

• получение семейства выходных характеристик транзистора в схеме с общим эмиттером;

• установка рабочей точки транзисторного каскада с общим эмиттером.

Лабораторная работа №3

Цель работы

Целью работы является:

· ознакомление с характеристиками операционного усилителя;

· ознакомление с принципами построения схем преобразования аналоговых сигналов на основе операционного усилителя;

· исследование инвертирующего и неинвертирующего усилителей на основе;

· операционного усилителя;

· исследование схем интегрирования и дифференцирования аналоговых

· сигналов.

Инвертирующий усилитель

Схема включения ОУ, показанная на рисунке 3.2, применяется на практике чаще все­го. Цепь обратной связи в этом случае представляет собой единственный резис­тор R_ОС , который служит для передачи части выходного сигнала обратно на вход. Тот факт, что резистор соединен с инвертирующим входом, указывает на отрица­тельный характер обратной связи. Входное напряжение (U₁) вызывает протека­ние входного тока i₁ через резистор R₁. Обратите внимание на то, что входное на­пряжение ОУ (ΔU) имеет дифференциальный характер, так как фактически это разность напряжений на неивертирующем (+) и инвертирующем (-) входах усилителя. Положительный вход ОУ чаще всего заземляют.

Применяя правила Кирхгофа, для схемы рисунок 3.2 можно составить следующие уравнения:

U₁ = i₁R₁ + ΔU, (3.2)

U_ВЫХ = -i_OCR_OC + ΔU, (3.3)

i₁ = -i_OC + i_ВХ, (3.4)

U_ВЫХ = -A ΔU, (3.5)

Решая эти уравнения совместно, можно получить цепи обратной связи:

.

Рисунок 3.2 - Принципиальная схема инвертирующего усилителя на ОУ

Сопротивления входного резистора и резистора цепи обратной связи обычно большие (десятки килоом), а коэффициент передачи ОУ очень высокий (А > 100 000), таким образом, полное сопротивление цени обратной связи с высокой точностью можно считать равным Z = R_ОС. Кроме того, величина ΔU обычно очень мала (несколько микровольт), и если значение входного сопротивления ОУ (Z_BX) высокое (обычно около 10 МОм), то тогда входной ток (i_ВХ = ΔU/Z_BX) чрезвычай­но мал и им можно пренебречь. С учетом сказанного выходное напряжение будет равно:

U_ВЫХ = -(R_OC/R₁)U₁ = -K∙U₁, (3.7)

где К - коэффициент передачи усилителя, охваченного обратной связью; К = R_OC/R₁.

Знак минус в выражении (3.7) означает, что выходной сигнал имеет поляр­ность, противоположную входному сигналу, то есть, инвертирован относительно него, поэтому такой усилитель называют инвертирующим усилителем. Следует обратить внимание, что коэффициент передачи ОУ, охваченного обратной связью, можно регулировать посредством выбора сопротивлений двух резисто­ров, R₁ и R_ОС.

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель можно получить путем заземления входного со­противления R₁ в схеме инвертирующего усилителя. При этом входной сигнал должен подаваться на неинвертирующий вход (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3- Принципиальная схема неинвертирующего усилителя на ОУ

Напряжение обратной связи снимается с делителя напряжения, который об­разован резистором обратной связи R_ОС и резистором входного контура R₁. Это напряжение U_(-) равно:

U_- = [ R₁/ (R₁+R_OC)] U_ВЫХ, (3.8)

Для идеального ОУ входное дифференциальное напряжение ΔU равно нулю, следовательно, U_BX = U_- и выражение (8) можно представить в виде:

U_ВЫХ = (1+R_OC/R₁) U_ВХ, (3.9)

Этим уравнением определяется назначение усилителя - усиливать, не изме­няя знака входного сигнала. Коэффициент усиления с контуром обратной связи равен К = (1+R_OC/R₁). Можно показать, что входной импеданс такой схемы Z_BX очень большой и выражается формулой:

Z_ВХ ≈ Z_ВХ∙ [ R₁/ (R₁ + R_OC)] A, (3.10)

где Z_ВХ - входной импеданс реального ОУ (порядка 10 МОм).

Также легко показать, что выходной импеданс схемы Z_ВЫХ стремится к нулю, если коэффициент усиления ОУ с разорванной петлей ОС становится очень большим. Таким образом, операционный усилитель, используемый в неинверти­рующей схеме, может являться буфером между схемами на входе и выходе.

Особым является случай, когда R_OC = 0, а резистор R₁ во входной цепи отсут­ствует (рисунок 3.4). При этом U_ВЫХ = U_BX, Z_ВХ =Z ^* ∙ А, Z_ВЫХ – Z_ВЫХ^*/А, где Z_ВЫХ^* - вы­ходной импеданс реального ОУ. Такая схема называется повторителем напряже­ния, так как коэффициент усиления по напряжению для нее равен 1. Эта схема используется для преобразования импеданса и может иметь большой коэффици­ент усиления по мощности.

Рисунок 3.4 - Принципиальная схема повторителя напряжения на ОУ

Дифференциальный усилитель

Дифференциальная схема на основе ОУ (рисунок 3.5) обеспечивает усиление сигна­лов на каждом из дифференциальных входов в R_ОС/R₁ раз. В результате выходное напряжение оказывается равным разности напряжений между двумя входными сигналами, умноженной на коэффициент передачи:

U_ВЫХ = (R_OC/R₁)(U₂ – U₁). (3.11)

Рисунок 3.5 - Принципиальная схема дифференциального усилителя на ОУ

Выведем уравнение (3.11). Используя предположение об идеальности ОУ, можно записать следующее выражение для напряжения на неинвертирующем входе:

U ₍₊₎ = [ R_OC/ (R₁ + R_OC)] U₂. (3.12)

Из уравнения входного контура 1 имеем:

i₁ = [ U₁ - U _(+}] /R₁ . (3.13)

Для выходного контура:

i_OC = - [ U_ВЫХ – U ₍₊₎] /R_OC, (3.14)

Уравнение для суммирующей точки:

i₁ = i_OC. (3.15)

Подставляя выражения (3.13) и (3.14) в уравнение (3.15) и исключая U₍₊₎, пос­ле преобразования, получим уравнение (3.11).

Суммирующая схема

Суммирующая схема на основе ОУ - это модификация инвертирующей схемы для двух или более входных сигналов. Каждое входное напряжение U_i подается на инвертирующий вход через соответствующий резистор R_i (рисунок 3.6).

Рисунок 3.6 - Принципиальная схема сумматора на ОУ

В соответствии со вторым законом Кирхгофа сумма всех токов, текущих через узел, равна нулю, поэтому в точке U_(-) уравнение токов для узла имеет вид:

i₁ = i₂ = i₃ = 0. (3.16)

Для идеального ОУ входной ток и ток смещения равны нулю. Запишем выра­жения для токов:

i₁ = U₁/R₁, (3.17)

i₂ = U₂//R₂, (3.18)

i_OC = -(U_ВЫХ/R_OC). (3.19)

Подставляя полученные выражения в (3.16), получим:

U_ВЫХ = -R_OC (U₁/R₁) – R_OC (U₂/R₂). (3.20)

Если R₁ = R.₂ = R, то уравнение для схемы сумматора имеет вид:

U_ВЫХ = -R_OC/R (U₁ +U₂). (3.21)

Интегрирующая схема

Схема интегратора на основе ОУ получается путем замены в инвертирующей схеме резистора обратной связи на конденсатор (рисунок 3.7).

Рисунок 3.7 - Принципиальная схема интегратора на ОУ

Известно, что заряд на конденсаторе Q и ток через него i_С определяются выражениями:

Q=C∙U, (3.22)

. (3.23)

С учетом этих соотношений для схемы, изображенной на рисунке 3.7, получим: i_oc = C_oc(dU_BblХ/dt). (3.24)

Для идеального ОУ i_oc = U_BX/R₁ и i₁ = i_oc, отсюда:

(3.25)

или в интегральной форме:

(3.26)

где Т_И - время интегрирования.

Таким образом, значение напряжения на выходе интегратора пропорционально интегралу от входного напряжения, а масштабный коэффициент равен 1 /R₁С_ос и имеет размерность сек^-1.

Если входное напряжение постоянно, то выражение (26) принимает вид:

(3.27)

Уравнение (3.27) описывает линию с наклоном - (U_ВХ/RC). При U_BX =1 В, С = 1 мкФ, R = 1 МОм наклон равен 1 В/с. Выходное напряжение будет нарас­тать линейно с указанной скоростью до тех пор, пока ОУ не перейдет в режим насыщения.

Дифференцирующая схема

Дифференцирующая схема на основе ОУ напоминает интегратор, у которого изменены места подключения резистора и конденсатора (рисунок 3.8). Для идеального ОУ легко получить передаточную функцию дифференцирующего устройства.

Рисунок 3.8 - Принципиальная схема дифференцирующего устройства на ОУ

Если на вход схемы подано напряжение U_BX, оно практически полностью приложено к конденсатору, так как схема ОУ устроена таким образом, что потенциа­лы прямого и инвертирующего входов дифференциального усилителя совпада­ют. В результате через конденсатор протекает ток, равный:

(3.28)

Так как входное сопротивление ОУ достаточно велико и входной ток ОУ можно считать равным нулю, весь ток конденсатора протекает через резистор R_OC:

(3.29)

Выходной сигнал определяется падением напряжения на сопротивление обратной связи :

. (3.30)

Таким образом, выходное напряжение пропорционально скорости изменения входного сигнала.

Лабораторная работа №4

Однопороговый компаратор

Однопороговыми называются устройства сравнения, для которых коэффи­циент усиления используемого усилителя всегда остается положительным (К_оу> 0). Из этого следует, что при работе такого устройства всегда присутству­ет некоторая область неопределенности входного напряжения, то есть существует погрешность определения уровня входного напряжения. В качестве однопороговых устройств сравнения могут использоваться ОУ без цепей ОС или с положительной ОС, для которой коэффициент передачи обратной связи удовлетворяет неравенству:

(4.6)

Анализируя схему, приведенную на рисунке 4.1а, можно сказать, что ее срабаты­вание происходит в момент равенства нулю напряжения между инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ. Используя данное свойство указанной схемы, можно легко построить на ее основе устройство сравнения входного напряжения с некоторым наперед заданным эталонным уровнем напряжения.

Для этого достаточно неинвертирующий вход ОУ (рисунок 4.1а) подключить к общей шине устройства через источник ЭДС Е_ЭТ, абсолютная величина и знак которого соответствуют требуемому эталонному уровню сравнения (рисунок 4.2а), В этом случае при идеальном ОУ напряжение между инвертирующим и неинвертирующим входами достигнет нулевого значения, когда уровень и по­лярность входного напряжения и_вх будут в точности равны параметрам эталон­ного источника Е_ЭТ . На рисунке 4.2б,в показаны передаточные характеристики ком­паратора для случаев Е_ЭТ> О и Е_ЭТ < О соответственно. Напряжение Е_ЭТ называют порогом срабатывания устройства сравнения.

Рисунок 4.2- Схема однопорогового компаратора со смещенным порогом срабатывания (а) и его передаточные характеристики

при Е_ЭТ > 0 (б) и Е_ЭТ < 0 (в)

Если в схеме на рисунке 4.2а вместо источника эталонного напряжения использо­вать второе входное напряжение, получится схема сравнения двух напряжений. Пренебрегая погрешностью, обусловленной наличием диапазона неопределен­ности входного напряжения, можно сказать, что переключение компаратора бу­дет происходить в момент равенства входных напряжений, как по абсолютному значению, так и по знаку. Схема такого устройства и временные диаграммы, по­ясняющие его работу, приведены на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 - Однопороговая схема сравнения двух напряжений (а) и временные диаграммы, поясняющие ее работу (б)

Гистерезисный компаратор

Гистерезисными называют схемы сравнения, у которых передаточная характери­стика неоднозначна. Применительно к ОУ это возможно только в том случае, когда усилитель охвачен цепью ПОС с коэффициентом передачи, удовлетворяю­щим условию:

> (4.6)

На рисунке 4.4 приведена передаточная характеристика ОУ для случаев b _ос < 1/К_ОУ, b_oc=1/К_ОУ и b_ос > 1/к_ОУ соответственно.

Рисунок 4.4 - Передаточные характеристики ОУ с ПОС при

b_ос < 1/К_ОУ (1), b_oc=1/К_ОУ (2) и b_ос > 1/к_ОУ (3)

Очевидно, что увеличение коэффициента передачи цепи ПОС фактически приводит к повороту исходной характеристики ОУ вокруг начала координат по часовой стрелке. При этом если b_ос > 1/к_ОУ (зависимость 3),то на передаточной характеристике появляется область неоднозначного соответствия между вход­ным и выходным напряжением - гистерезис. Это позволяет построить устрой­ства, у которых напряжения срабатывания и отпускания не равны между собой. Принципиальная схема такого устройства сравнения и ее передаточная характе­ристика приведены на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5 - Схема гистерезисного компаратора (а) и его передаточная характеристика (б)

Предположим, что в некоторый момент времени входное напряжение схемы равно нулю, а на ее выходе присутствует напряжение положительной полярности ⁺U_ОГР. Тогда к неинвертирующему входу ОУ приложено положительное на­пряжение

(4.7)

Такое состояние схемы является устойчивым и будет поддерживаться до тех пор, пока изменяющееся входное напряжение и_вх не увеличится до этого же уров­ня. В этот момент произойдет изменение выходного напряжения ОУ от ⁺U_ОГР, до -U_ОГР и на неинвертирующем входе ОУ установится напряжение

= - (4.8)

Данное состояние также будет устойчивым до тех пор, пока входное напряже­ние и_вх не уменьшится до такого же уровня.

Таким образом, напряжения срабатывания и отпускания в рассматриваемой схеме определяются следующими выражениями:

(4.9)

(4.10)

Из приведенных выражений видно, что при равенстве абсолютных значений напряжения ограничения на выходе ОУ пороговые напряжения равны по вели­чине, но противоположны по знаку, то есть передаточная характеристика устрой­ства симметрична относительно начала координат.

Для получения различных напряжений срабатывания и отпускания в цепи ПОС ОУ необходимо использовать четырехполюсник, коэффициент передачи которого зависит от полярности его входного напряжения. Пример такого устройства приведен на рисунке 4.6а.

Рисунок 4.6 - Схема гистерезисного компаратора с цепью нелинейной ПОС (а) и его передаточная характеристика (б)

В данном случае коэффициент передачи цепи ПОС для положительных выход­ных напряжений ОУ практически не зависит от уровня этого напряжения и опре­деляется падением напряжения на диоде VD, смещенном в прямом направлении. При отрицательных выходных напряжениях диод VD заперт и напряжение отпус­кания определяется, как и в схеме на рисунке 5а, то есть выражением (4.10). На рисунке 4.6б приведена передаточная характеристика данной схемы сравнения. Из ри­сунка видно, что она несимметрична относительно начала координат.

Асимметрию передаточной характеристике схемы сравнения можно придать (как и в случае однопорогового устройства), используя дополнительные источники смещения. Пример такого решения приведен на рисунке 4.7а. Здесь источник смещения Е_см подключен к неинвертирующему входу ОУ через резистор r_ДЕЛ Напряжение на неинвертирующем входе равно

= (4.11)

a) б)

Рисунок 4.7 - Схема гистерезисного компаратора со смещенной характеристикой (а) и его передаточная характеристика (б)

Тогда напряжения срабатывания и отпускания компаратора определяются выражениями:

(4.12)

(4.13)

Применение гистерезисных компараторов позволяет в случае действия внеш­них помех значительно повысить надежность сравнения напряжений. Так, на рисунке 4.8 показаны временные диаграммы работы однопорогового и гистерезисного компараторов в случае, когда входной сигнал, кроме полезной составляющей, содержит некоторый высокочастотный сигнал помехи. Очевидно, что в случае использования однопороговой схемы сравнения на выходе устройства будет сформировано несколько выходных импульсов (так называемый «дребезг» выходного напряжения), затрудняющих получение однозначного результата. В случае использования гистерезисного компаратора с правильным выбором на­пряжений срабатывания и отпускания этого удается избежать и получить на вы­ходе однозначный результат сравнения.

Рисунок 4.8 - Временные диаграммы работы компараторов в условиях действия внешней помехи: входной сигнал (а), выходной сигнал однопорогового (б) и гистерезисного (в) компараторов

3. Описание лабораторного стенда

В состав лабораторного стенда входит лабораторный стенд на базе компьютера с программой Electronics Workbench.

4. Рабочее задание

Запустите программу Electronics Workbench.

Задание 1. Получение передаточной характеристики однопорогового компаратора

Для исследования характеристик однопорогового компаратора соберите электрическую схему, изображенную на рисунке 4.9.

Рисунок 4.9 - Принципиальная электрическая схема

для исследования характеристик однопорогового компаратора

1.1 Задайте значение источника напряжения V1=V2 в соответствии с вариантом. С помощью элементов управления Rr (1 Ом) изменяйте входной сигнал.

1.2 С помощью ползункового регулятора установите порог срабатывания компаратора U_р. = 0В. Результаты запишите в таблицу 1.

1.3 Получить зависимость выходного напряжения от входного Uvix=f(Uvx).

1.3. Повторите п. 1.1-1.2, установив значения порога срабатывания в соответствии с вариантом Up2=……B и Up3=……B.

Таблица 1

№	R1 Setting, %	Uvx, В	Ivx, А	Uvix, В	Ivix, А
Uр1. = 0В
Uр2. = ……В
Uр3. = ……В
((__lxGc__=window.__lxGc__||{'s':{},'b':0})['s']['_228467']=__lxGc__['s']['_228467']||{'b':{}})['b']['_699615']={'i':__lxGc__.b++}; Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом... ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала... Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот... ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: