Проектування, моделювання та налагодження пристрою обробки інформації в середовищі “ELECTRONICS WORCBENCH “

     Частота: 3.079 кГц, що приблизно дорівнює 3f1.

     

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Рис. 2.3.5. АЧХ вибіркового підсилювача 

      2.4. Автоколивальний мультивібратор

      Автоколивальний мультивібратор - це релаксаційний  автогенератор напруги прямокутної  форми. Термін "автогенератор" означає, що він генерує коливання, які не згасають без будь-якого впливу ззовні і не має стійких станів рівноваги. Релаксаційний характер вихідних коливань вказує на те, що умови самозбудження виконуються в широкому діапазоні частот. У мультивібраторі частота слідування імпульсів прямокутної форми, що періодично повторюються, визначається параметрами кіл, які задають тривалість перемикання властивостями схеми й режимами її живлення. На частоту автоколивань впливає навантаження. Часто автоколивальний мультивібратор застосовують як генератор імпульсів великої тривалості, які далі використовують для формування імпульсів необхідної тривалості та амплітуди. Таким чином, мультивібратори, що працюють в автоколивальному режимі, застосовують найчастіше як задавальні генератори. У зв'язку з цим до мультивібратора ставляться вимоги високої стабільності частоти, якої можна досягти лише застосуванням спеціальних заходів. Відносна нестабільність частоти під впливом дестабілізувальних факторів становить приблизно кілька відсотків.

 

      

        
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

            Рис. 2.4.1. Мультивібратор на ОП 140УД2

      Для побудови автогенераторних пристроїв  з прямокутною формою генерованих  коливань необхідно скористатися компараторним  ввімкненням ОП з позитивним зв'язком. Основою мультивібратора (рис. 2.4.1.) є компараторний пороговий вузол на ОП з пороговою характеристикою. Режим автоколивань у схемі забезпечується позитивним зворотним зв'язком, що ОП підсилювач з його виходу на неінвертувальний вхід за допомогою подільника напруги на резисторах Rl, R2. Коло, що складається з конденсатора С та резистора R, забезпечує процес перемикання схеми з одного тимчасового стійкого стану в інший. Воно ввімкнене між виходом ОП та інвертувальним входом і утворює коло негативного зворотного зв'язку. Для нормальної роботи мультивібратора позитивний зворотний зв'язок має бути сильнішим.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Рис. 2.4.2. Осцилограми напруг мультивібратора

      Розглянемо   суть   перебігу   процесів   у   мультивібраторі. Припустимо, що в інтервалі часу від t = 0 до t = t_i рівень напруги на виході ОП U_вих = U⁺_вих ≈ Е ⁺_с. Тоді напруга на неінвертувальному вході також позитивна і стала:

      

де  , а напруга на інвертувальному вході, яка дорівнює напрузі на конденсаторі ( ), експоненційно збільшується, прагнучи до асимптотичного рівня внаслідок зарядження конденсатора через резистор R. У момент часу напруга на інвертувальному вході (на конденсаторі) досягає рівня напруги на неінвертувальному вході і ОП входить у підсилювальний режим. Вихідна напруга зменшується, а отже, зменшується, через подільник R1, R2 напруга , що викликає подальше зменшення вихідної напруги і т. д.

      Такий лавиноподібний регенеративний процес закінчується тим, що стрибкоподібно досягає рівня , а (відбувається перемикання ОП у протилежний стан).

      Тепер конденсатор С розряджається через транзистор R та вихід ОП, і напруга на інвертувальному вході зменшується з тією самою сталою часу , що і при зарядженні конденсатора, прагнучи до асимптотичного рівня .

      

      У момент t=t₂, коли при перезарядженні напруга на 
конденсаторі (вході, що інвертує) зрівняється з напругою на 
інвертувальному вході знову відбувається перемикання ОП. Цим завершується формування негативного імпульсу вихідної напруги тривалістю . При цьому , а шпаруватість імпульсної напруги дорівнює двом. У подальшому процеси повторюються із заданою періодичністю. Період коливань імпульсної  напруги симетричного  мультивібратора за  умови рівності тривалостей підтримування високого й низького рівнів напруги ( ):

      

      Частота слідування імпульсів: F=1/T=l/2t_i.

      

      Інтервал  часу можна визначити, наприклад, через інтервал часу протягом якого відбувається перезарядження конденсатора С через резистор R у колі з напругою від до (рис. 2.9.2):

      

.

      Оскільки  то . , а отже .

      Нехай R1=10кОм, R2=10кОм, R3=5кОм. Потрібна нам частота керуючих імпульсів – 1000 Гц.

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис.2.4.3.Принципова схема мультивібратора в середовищі «Multisim 10»

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Рис. 2.4.4. Осцилограми мультивібратора

      Отже, ми мали отримати частоту 0.3f1. Відповідно до осцилограми 

      T=2.863 мс, то f=1/T=1/2.863=0.349 кГц.

      0.3f1=0.349 кГц;   =>f1=1.1кГц, що близько до 1 кГц і задана точність      нас задовольняє. 

      2.5 Комутатор

      Для побудови комутатора ми використовуємо напівпровідникові діоди, які вмикаються зустрічно, а значить за будь-якої полярності інформаційних сигналів один із діодів буде вмикатись в зворотному напрямі.

      Великий  опір одного із діодів забезпечить  зменшення коєфіцієнта передачі комутатора до нуля. Якщо на керувальний вхід комутатора  (на аноди діодів) постуває позитивний сигнал,  обидва діоди переводяться в режим прямого вмикання.

      Їх  опори суттєво зменшуються, що забезпечує зростання коєфіцієнта передачі до одиниці. Таким чином на виході комутатора формується сигнал тільки на протязі дії керувального сигналу.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Рис.2.5.1.Принципова схема комутатора

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис.2.5.2 Осцилограми  імпульсів на інформаційному вході,

на  керувальному вході    комутатора та його виході 

      Таким чином на виході комутатора ми отримуємо «шматки» гармонічного сигналу тривалістю, що дорівнює тривалості імпульсів, які потрапляють на керувальний вхід комутатора.

2.7 Генератор гармонічного  сигналу

           Генератор гармонічних коливань – електронний пристрій, який перетворює енергію джерела постійного струму в енергію змінного струму потрібної форми. У залежності від форми вихідної напруги розрізняють генератори гармонічних та негармонічних (імпульсні, релаксаційні генератори) коливань. За режимами роботи генератори поділяються на: автогенератори, які працюють в режимі автоколивань та генератори, які працюють в режимі запуску зовнішніми імпульсами. У залежності від генерованих частот генератори гармонічних коливань поділяють на низькочастотні (0,01-100 кГц), високочастотні (0,1-100МГц) і надвисокочастотні (>400 МГц). Умовою самозбудження будь-якого автогенератора є баланс амплітуд та баланс фаз вхідної та вихідної напруг.

      

      Комплексний коефіцієнт підсилення операційного підсилювача:

       , де – модуль коефіцієнта підсилення на частоті ω; – зсув фаз між вихідною і вхідною напругами на частоті ω.

  
 
 
 
 
 
 
 
 

            Рис. 2.6.1 Структурна схема

      Коло  позитивного зворотного зв’язку (рис. 2.7.2.) з комплексним коефіцієнтом підсилення:

       , де  – модуль коефіцієнта передачі позитивного зворотного зв’язку на частоті ω;  
– зсув фаз між вхідною і вихідною напругами на частоті ω.

      Коефіцієнт  підсилення ОП з урахуванням зворотного зв’язку:

       .

      Нехай у деякий момент часу на вході генератора з’явилась деяка напруга . Тоді для напруги на виході генератора можна записати:

,  

      якщо  для деякої частоти ω виконується умова:

       , то амплітуда вихідного сигналу на даній частоті буде прямувати до безкінечності, незалежно від того, якої величини вхідна напруга.

      Це  можливо за наступних умов:

      

        (баланс фаз), де 0, 1, 2, 3…. та

        (баланс амплітуд).

      У випадку нашого генератора використовується так званий міст Вінна (R1, R2, C1, C2), який включений в коло позитивного  зворотного зв’язку.

      Квазірезонансна частота для цього ланцюжка:

      

      Введення  в коло генератора частотно-незалежного  негативного зворотного зв’язку (R₄, R₅) забезпечує отримання гармонічного сигналу на частоті без спотворень.

      Для забезпечення на виході генератора потрібної нам частоти , потрібно розрахувати відповідні навісні елементи:

      Нехай R₁=R₂=R і C₁=C₂=C. Нехай R=10кОм, тоді:

      

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 2.6.2. Генератор гармонічних коливань на ОП 140УД2 
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Рис.2.6.3.Принципова схема генератора гармонічних сигналів

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                     Рис. 2.6.4. Осцилограма гармонічного сигналу 
 

 

      Як ми бачимо на осцилограмі T=33.752ms, то відповідно f=1/T=1/33.752ms=29.6 Гц, що приблизно дорівнює 30 Гц.

        

2.7. Суматор

      Суматор – функціональний блок, головним завданням  якого є отримання складного  сигналу на виході з більш простих  вхідних сигналів. Тобто, суматор  додає 2 сигнали та на їх основі формує один складний сигнал.