Дослідження активного дифференциатора

ДОСЛІДЖЕННЯ АКТИВНОГО дифференциатора.

Мета роботи. Вивчити пристрій і роботу активного дифференциатора.

Набути навичок комп'ютерного моделювання радіоелектронних пристроїв за допомогою програми Electronics Workbench і навички проведення натурного експерименту і роботи з радіовимірювальних приладами. За допомогою натурного експерименту підтвердити репрезентативність комп'ютерного моделювання.

Прилади й матеріали: ПК 486 моделі, дискета 3,5``,

макет активного дифференциатора, генератор низькочастотний Г3-112, два електронних мілівольтметра В3-38 (В3-13), двопроменевий осцилограф С1-55, фазометр Ф2-4, два коаксіальних трійника, з'єднувальні 50-омні коаксіальні кабелі.

Коротка теорія. Спочатку необхідно привести схему,

ілюструє роботу дифференцирующего підсилювача. Його вихідна напруга є похідною

від форми вхідного напруги. Напруга на конденсаторі С1 дорівнює вхідному напрузі U вх. Струм,

протікає через конденсатор С1 і резистор зворотного зв'язку R o, дорівнює:

На виході операційного підсилювача створюється падіння напруги U вих. = -IR o. З цих співвідношень слід:

U вих = -R o C 1 dU dt вх

Передавальна функція дифференцирующего підсилювача визначається виразом: K (jω) = - jωC 1 R o.

Активний дифференциатор має величезну перевагу перед пасивним. Він наближається до ідеального дифференциатора тим сильніше, чим більше коефіцієнт посилення по напрузі у його операційного підсилювача. При цьому постійна часу диференціюються ланцюга зменшується в число разів, рівна коефіцієнту підсилення по напрузі операційного підсилювача. Тут має сенс ввести так звану наведену постійну

негативного зворотного зв'язку, яка подається з виходу на інвертується вхід операційного підсилювача, а R вх - опір резистора, що обмежує вхідний струм на вході інвертується.

Наш реальний активний дифференциатор є диференціює підсилювач і сконструйований на базі операційного підсилювача

μА741 (140УД7), як і всі інші електронні пристрої в даній дипломній роботі. Нижче наводиться його принципова електрична схема.

У робочому вікні програми Electronics Workbench v.5.12

він виглядає так.

Тепер подивимося осцилограми вхідного і вихідного сигналів. Вхідний сигнал - синій меандр, що подається з генератора функцій. У нижній частині екрана червоним кольором відображається вихідний сигнал - відгук нашого дифференциатора на вхідний вплив.

Так виглядає Продиференціювали меандр - у вигляді гострих піків, відповідних переднього і заднього фронтах імпульсів. Це пояснюється так: похідна - це швидкість зміни сигналу. Диференціюючи сигнал, ми збільшуємо швидкість зміни сигналу, тобто збільшуємо амплітуди високочастотних складових його гармонійного спектру, які визначають крутизну фронтів імпульсів. Іншими словами, відбувається збільшення швидкості зміни сигналу, і його енергія перерозподіляється між гармоніками на користь високочастотних складових.

На даній осциллограмме ми бачимо результат повного диференціювання сигналу при ємності конденсатора на вході, що дорівнює 6800 пФ. Змінимо постійну часу.

Так виглядає Продиференціювали сигнал при ємності конденсатора, що дорівнює 0,022 мкФ. Видно, що відбувається неповне диференціювання імпульсів.

Збільшимо ємність конденсатора. Починаючи з 0,15 мкФ і більше імпульси проходять через наше пристрій, що не диференціюючи взагалі і лише посилюючись за амплітудою. В даному випадку наш дифференциатор працює як підсилювач, а конденсатор грає роль розділового.

Знімемо АЧХ і ФЧХ для того, щоб переконатися, що дифференциатор за сумісництвом є фільтром верхніх частот. Вище вже було сказано, що він перерозподіляє енергію сигналу на користь високочастотних гармонійних складових.

Порядок виконання роботи. Спочатку виконується комп'ютерне моделювання, а потім - натурний експеримент. Увімкніть комп'ютер, завантажте програму EWB, відкрийте файл «активний діфференціатор.ewb». Шлях до файлу диск С: \ Program Files \ Ewb512 \ Circuits \ схеми \

активний діфференціатор.ewb. Запустити процес симуляції клацанням лівої кнопки мишки по вимикача, розташованого у верхньому правому куті екрану. Активуйте осцилограф, клацнувши лівою кнопкою мишки по його значку в схемі і вибравши в меню пункт «Open» (відкрити). У осцилографа налаштуйте вертикальне відхилення променів, швидкість розгортки, зміщення по осях Х і Y так, щоб зручно було спостерігати сигнали на вході і на виході схеми. Параметри меандру, що подається з генератора функцій: частота 50 Гц, амплітуда 1В.

Викликаючи контекстне меню клацанням правої кнопки мишки по вхідному конденсатору і вибираючи пункт «Component properties» послідовно міняйте ємність конденсатора, вибираючи значення 6800 пФ, 0,022 мкФ і 0,15 мкФ. Як змінюється при цьому вид осцилограми?

Користуючись вікном «AC-frequency» з меню «Analysis»,

зніміть АЧХ і ФЧХ дифференциатора з кожним з конденсаторів. По виду АЧХ доведіть, що він одночасно є і ФВЧ.

УВАГА! ПЕРЕД завершення роботи з програмою EWB ЩОБ ЗАПОБІГТИ порча схемних Фото змінами, внесеними В СХЕМИ В ПРОЦЕСІ ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ, Приберіть ЦІ ЗМІНИ АБО вибрати опцію «REVERT TO SAVED» (ПОВЕРНУТИСЯ ДО збережені) В

МЕНЮ «FILE», АБО НА ЗАПИТ «SAVE CHANGES ...? (ЗБЕРЕГТИ ЗМІНИ В ТАКИЙ-ТО СХЕМОЮ) ВІДПОВІСТИ

Тепер перейдемо до натурному експерименту. Треба підключити макет активного дифференциатора до блоку живлення. До входу і виходу активного дифференциатора підключити осцилограф. У осцилографа налаштуйте вертикальне відхилення променів, швидкість розгортки, зміщення по осях Х і Y так, щоб зручно було спостерігати сигнали. Обертаючи рукоятку галетного перемикача і

включаючи різні конденсатори в диференціюються ланцюг, спостерігайте за змінами картинки на екрані осцилографа. Порівняйте результати натурного експерименту і комп'ютерного моделювання.

Тепер треба зняти три рази АЧХ при різних положеннях галетного перемикача, встановлюючи на вході дифференциатора гармонійний сигнал з генератора Г3-112 з постійним рівнем, контролюючи його першим милливольтметром і заміряючи рівень вихідного сигналу другим електронним милливольтметром В3-38 на частотах

10,100, 1000 Гц, 1, 10, 20, 200, 500 кГц

Користуючись критерієм рівня