Часть 1. Мультивибратор на операционном усилителе

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ

”Электроника и микропроцессорная техника”

(часть 1)

для студентов - факультета БМТ

Мультивибратор

Созинов Б.Л.

Кафедра РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА

_______________________________________________________________

МОСКВА 2010 г.

Целью работы является исследование влияния параметров элементов схемы на выходное напряжение несимметричного мультивибратора, построенного на операционном усилителе и таймере. Задача работы состоит в освоении методики моделирования работы мультивибратора, получения параметров генерируемого напряжения и влияния на них номиналов элементов схемы. На базе сравнения расчетных и модельных результатов следует определить влияние параметров активных элементов на выходное напряжение.

Часть 1. Мультивибратор на операционном усилителе.

1. Рассчитайте номиналы элементов схемы несимметричного мультивибратора на ОУ согласно техническому задании.

Рис. 1. Принципиальная схема несимметричного мультивибратора на операционном усилителе.

Исходные данные для расчета берутся из технического задания:

Um @ ±15 В – амплитуды выходного генерируемого напряжения,

Т – период генерируемого напряжения,

Т1 – длительность положительного импульсного напряжения,

T2 = T-T1 – длительность отрицательного импульсного напряжения,

tv £ 0.01*T1(T2) – длительности фронтов нарастания и спада выходного напряжения, определяемых по минимальной длительности генерируемых импульсов (Т1 при T1<T2 или Т2 при T2<T1).

Алгоритм расчета:

1. Выбрать марку ОУ из библиотеке МС9 по максимальной скорости Vmax изменения выходного напряжения.

Максимальная скорость изменения выходного напряжения Vmax определяет длительности фронтов tv генерируемого напряжения. Поэтому марку ОУ выбирают по максимальной скорости изменения выходного напряжения из условия:

Vmax ³ 2*Um/tv (1)

В библиотеке МС9 на модели ОУ приняты следующие обозначения: SKP – максимальная скорость нарастания выходного напряжения, SRN – максимальная скорость спада выходного напряжения, VCC – положительное напряжение питания, VEE – отрицательное напряжение питания, VPS – максимальное выходное положительное напряжение, VNS – максимальное выходное отрицательное напряжение и IOSC – выходной ток короткого замыкания. Параметры выбранной марка ОУ определят отрицательную Um- и положительную Um+ амплитуды выходного импульса:

U_m^- = VNS (2)

U_m⁺ = VPS (3)

и длительности фронта нарастания tv⁺ и спада tv^- будут равны:

tv⁺ = 0.9*(VPS-VNS)/SKP (4)

tv^- = 0.9*(VPS-VNS)/SRP (5)

2. Рассчитать номиналы цепи положительной обратной связи (R3 и R4).

Для определения сопротивлений R3 и R4 задайтесь коэффициентом передачи kpos цепи положительной обратной связи (kpos=R3/(R3+R4)) в пределах 0.6 – 0.8 и протекаемым по ним током Ipos (Ipos=Um/(R3+R4)) в пределах 0.05 – 1 мА. Тогда по заданным величинам kpos и Ipos вычислите сопротивления резисторов:

R3 = kpos*Um/Ipos (6)

R4 = (1-kpos)*R3/kpos (7)

Выбранный коэффициент передачи kpos цепи положительной обратной связи определит отрицательную и положительную амплитуду напряжения на неинвертируемом входе ОУ:

U_m.int^- = kpos* U_m^- (8)

U_m.int⁺ = kpos* U_m⁺ (9)

3. Рассчитать номиналы цепи отрицательной обратной связи (С, R1, R2, D1 и D2).

Расчет номиналов цепи обратной связи проводят исходя заданных длительностей Т1 и Т2 выходных импульсов и выбранного максимального тока Ioos, протекаемого по данной цепи. Рекомендуется выбрать ток Ioos в пределах 0.05 – 1 мА. Тогда по его величине вычисляют сопротивление резистора R1 при условии T1<T2 или R2 при условии Т2<T1, а сопротивление второго резистора (R2 или R1) – по заданному отношению длительностей импульсов (Т2/T1 при T1<T2 или T1/T2 при Т2<T1):

R1(R2) = 2*Um/Ioos (10)

R2(R1) =T2(T1)*R1(R2)/T1(T2) (11)

Далее, по заданной длительности Т1 или Т2 выходного импульса вычислите емкость конденсатора С:

С=T1(Т2)/[R1(R2)*ln(1+kpos)/(1-kpos)] (12)

Марку диодов D1 и D2, исполняющих роль ключей, выберете из библиотеке МС9. При этом руководствуйтесь правилом, чтобы его максимальный ток диода не превышал (10 -100)*Ioos, а время переноса заряда (параметр ТТ) было бы меньше задаваемой длительности фронта tv.

2.
Проведите измерения параметров напряжений на неинвертируемом V(Int+), инвертируемом V(C) входах ОУ и на его выходе V(Out).

На рабочем поле МС9 наберите принципиальную схему несимметричного мультивибратора с рассчитанными номиналами элементов. В качестве примера на рис.2 приведена принципиальная схема несимметричного мультивибратора, номиналы элементов которой рассчитаны по выше представленному алгоритму для выполнения следующего технического задания: модуль амплитуды выходного напряжения – Um=15 B, период колебаний Т=400 мкс, длительность положительного импульса Т1= 300 мкс, длительность отрицательного импульса Т2= 100 мкс, длительности фронтов нарастания и спада выходных импульсов tv<1 мкс.

Рис. 2. Принципиальная схема несисмметричного мультивибратора.

На схеме обозначьте именами (Int+, C, Out) характерные для исследования узлы, используя пиктограмму Тext Mode (Ctrl+T). После обращения к ней, подведите курсор к ветви схемы, где желаете дать имя узлу, и щелкните левой мышкой. Появится окно Grid Text, в котором записывается имя узла. По окончанию записи имени закройте данное окно, в результате чего появляется схема на рабочем поле с присвоенным именем заданному узлу.

Для исследования работы схемы используется тип анализа Transient. В окне Transients Analysis Limits закажите общее время расчета (Time Range) равное (2 – 3) заданному периоду Т колебаний, проведение расчета с шагом по времени (Maximum Time Step) не больше Т/1000. От проведения предварительного расчета схемы по постоянному току откажитесь (в окне Operating Point галочку снять) и выберете для расчета нулевые начальные условия (в окне State Variables установить Zero). Для просмотра результатов анализа на экране рекомендуется использовать автоматический выбор масштаба построения графиков (в окне Auto Scale Ranges проставить галочку). Закажите по результатам анализа показать осциллограммы напряжений на входе V(Int+), на конденсаторе V(C) и выходе V(Out) операционного усилителя на одном графике. Пример заполнения задания на проведения анализа Transient показан на рис. 2.

Рис. 3. Окно заказа параметров на проведение анализа Transient.

После заполнения окна Transient Analysis Limits дайте команду на его исполнение (Run). На полученных осциллограммах обозначьте координаты амплитуды и длительности генерируемых напряжений, используя пиктограммы Horizontal Tag Mode и Tag Mode. Пример вывода результатов анализа Transient для предоставления в отчете приведен на рис. 3.

Рис. 3. Осциллограммы напряжений на входе и выходе ОУ несимметричного мультивибратора.

За длительность фронта нарастания (спада) импульсов прямоугольной формы принимают время, за которое напряжение изменяется от 0.9*U_m^- до 0.9*U_m⁺ (от 0.9*U_m⁺ до 0.9*U_m^-). Для измерения длительности фронта нарастания увеличьте масштаб по времени части осциллограммы выходного напряжения, соответствующей его возрастанию, используя пиктограмму Scale Mode (F7). Далее обратитесь к пиктограмме Go To Y, где первоначально укажите установку курсора по оси Y на уровне 0.9*U_m^- и щелкните левой клавишей по клавише Left (в рассматриваемом примере заказано установка курсора на уровне – 0.9*14.6). Далее, в окне Value пиктограммы Go To Y поменяйте требования установки курсор на второй уровень 0.9*U_m⁺ (в рассматриваемом примере достаточно было изменить знак с минуса на плюс) и, щелкнув левой мышкой по клавише Right. В результате на осциллограмме выходного напряжения курсоры будут установлены на заданных уровнях, их показания дублируются под осциллограммами (Left, Right), а в столбце Delta и в строке Т будет выведено длительность tv⁺ фронта нарастания выходного напряжения.

Рис. 4а. К определению длительности фронта нарастания выходного напряжения (в данном примере =0.440 мкс).

Аналогично, с представлением в крупном масштабе участка осциллограммы выходного напряжения при изменении от U_m⁺ до U_m^- проводится измерение длительности tv^- фронта спада.

Рис. 4б. К определению длительности фронта спада выходного напряжения (в данном примере =0.463 мкс).

Параметры генерируемых напряжений, полученные согласно теоретическому расчету и по результатам моделирования, занесите в таблицу, как показано ниже (результаты в строке «моделирование» взяты из выше представленных осциллограмм).

Таблица №1

Все полученные осциллограммы напряжений V(Int), V(c) и V(Out) сохраните в своем рабочем Word-файле для представления их в отчете.

3. Исследуйте влияние конденсатора С1 на параметры генерируемых импульсных напряжений.

Проведите серию измерений параметров выходного импульсного напряжения для ряда значений емкости времязадающего конденсатора. Примите для исследования следующий ряд номиналов конденсатора:

а) С12=0.75*С1 б) С13=0.5*С1 в) С14=0.25*С1 г) С15=0.1*С1

где С1 – номинал конденсатора, определенный расчетным путем и использован в предыдущем анализе.

Изменив номинал времязадающего конденсатора в принципиальной схеме, расположенной на рабочем поле МС9, обратитесь к анализу Transient. В окне заказа на его проведение скорректируйте время на проведения анализа (Time Range) и выбор шага по времени проведения расчета (Maximum Time Step). При назначении времени анализа и шага расчета следует помнить, что период генерируемых напряжений пропорционален емкости конденсатора. Для любого номинала конденсатора расчет необходимо проводить на отрезке времени равном (2 – 3) периодам генерируемого напряжения.

Получив по результатам анализа Transient осциллограммы напряжений на входе и выходе ОУ, проведите измерения параметров выходного импульсного напряжения, не изменяя масштаб осциллограмм. Для определения длительностей импульсов Т1 (положительный импульс), Т2 (отрицательный импульс) и периода Т колебаний обратитесь к пиктограмме Go TO Y. Закажите установку курсора с координатой Y=0 (Value) и поочередно щелкая левой мышкой по клавишам Left и Right проведите измерения времен Т1, Т2 и Т. Результаты измерений занесите в таблицу №2, форма которой представлена ниже.

Затем после обращения к пиктограмме Cursor Mode (F8) измерьте положительные (U_m⁺) и отрицательные (U_m^-) амплитуды выходного напряжения ОУ, положительные (U_m.int⁺) и отрицательные (U_m.int^-) амплитуды на неинвертируемом входе ОУ. Результаты измерений занесите в таблицу №2.

Далее, расположите левый и правый курсоры в области отрицательной амплитуды выходного напряжения и вновь обратитесь к пиктограмме Go To Y. Первоначально запросите установку курсора(окно Value) с координатой – 0.9*U_m^- и щелкните левой мышкой по клавише Left. Затем в окне Value введите координату 0.9*U_m⁺ (практически потребуется поменять знак) и щелкните левой мышкой по клавише Right. В столбце Delta и строке Т, расположенными под осциллограммами, будет выведена длительность фронта нарастания выходного напряжения. Аналогично проведите измерение длительности фронта спада выходного напряжения. В отличии от предыдущего измерения предварительно левый и правый курсор устанавливаются в области положительного импульсного напряжения. Первоначально устанавливается левый курсор в позицию с Y=0.9*U_m⁺, затем правый – в позицию Y=-0.9* U_m^-, тогда разность в показания координат по времени левой и правой мышки будет соответствовать длительности фронта спада. Измеренные длительности фронтов нарастания и спада занесите в таблицу №2.

Так последовательно изменяя на рабочем поле емкость времязадающего конденсатора, следует провести серию измерений параметров генерируемых напряжений, результаты которых заносятся в таблицу №2.

Таблица №2.

Осциллограммы напряжений, соответствующие минимальной емкости времязадающего конденсатора, представьте в отчете.

Рис. 5. Осциллограммы выходного напряжения V(OUT), напряжений на неинвертируемом V(INT+) и инвертируемом V(C) входе ОУ.

По данным осциллограммам определите время выхода из режима насыщения ОУ. Для этого, используя пиктограмму Scale Mode, представьте в увеличенном масштабе участок осциллограмм, соответствующий переходу выходного напряжения ОУ от положительной максимальной величины к отрицательной. Далее обратитесь к пиктограмме Cursor Mode и замерьте напряжение на неинвертируемом входе V(INT+) на участке, когда оно больше напряжения на инвертируемом входе V(C). Затем обратитесь к обработке осциллограммы V(C) и с помощью пиктограммы Go To Y установите курсор левой мышки в позицию, когда напряжение на инвертируемом входе V(C) становится точно равным напряжению замеренному напряжению на неинвертируемом входе (его заказывают в окне Value пиктограммы Go To Y). Обратите внимание, что после определенного времени, когда входные напряжения ОУ сравнялись, в отличии от теории выходное напряжение V(OUT) продолжает некоторое время оставаться неизменным (выход транзисторов ОУ из режима насыщения происходит не мгновенно). Закрыв пиктограмму Go To Y, подведите курсор к месту, где начинает уменьшаться выходное напряжение V(OUT) и щелкните правой мышкой. Разница (Delta) показаний по времени курсоров левой и правой мышки будет соответствовать времени выхода ОУ из режима насыщения, которое следует указать в отчете.

Рис. 6. К определению времени выхода из насыщения ОУ.

В представленном примере мультивибратора на ОУ марки LF400C время выхода из насыщения составило 460 нс, которое сравнимо с временем изменения выходного напряжения от положительного уровня к отрицательному (540 нс).

По результатам измерений и согласно теории в отчете постройте зависимости изменений периода Т и длительностей импульсов Т1 и Т2 от конденсатора С1.

Рис. 7. Зависимости периода Т, положительного Т1 и отрицательного Т2 длительностей выходного напряжения мультивибратора на ОУ (Tmc, T1mc, T2mc – по результатам моделирования, T(C), T1(C), T2(C) – согласно теории).

4. Исследуйте влияние коэффициента передачи k цепи положительной обратной связи на параметры генерируемых импульсных напряжений.

На схеме восстановите расчетную величину конденсатора С1. Задайте ряд изменения коэффициента передачи Kpos цепи положительной обратной связи: kpos (принятый при расчете), kpos-0.1, kpos-0.2, kpos-0.3. Изменение коэффициента передачи цепи положительной обратной связи проведите за счет изменения величины резистора R3, которые следует предварительно вычислить по формуле:

R3=Kpos*R4/(1-Kpos)

Последовательно изменяя в схеме, расположенной на рабочем поле МС9, величину резистора R3, проведите измерения периода Т, длительности положительного Т1 и отрицательного Т2 выходных импульсов, амплитуд на выходе и неинвертируемом входе ОУ. Для измерения параметров импульсов воспользуйтесь выше представленной методикой, а результаты измерений сведите в таблицу.

Таблица №3.

С учетом данных из таблицы №1 таблицы №3 постройте зависимости периода Т и длительностей Т1 и Т2 в зависимости от коэффициента передачи Kpos цепи положительной обратной связи. Для сравнения там же приведите теоретические зависимости.

Рис. 8. Зависимости периода Т, длительности положительного Т1 и отрицательного Т2 выходных импульсов от коэффициента передачи Kpos цепи положительной обратной связи.

Поиск по сайту: