1

Politechnika Białostocka

Wydział Elektryczny

Katedra Automatyki i Elektroniki

Instrukcja

do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu:

ELEKTRONIKA ENS1C300 022

UKŁADY FORMOWANIA IMPULSÓW

Aktualizacja: dr hab. inż. Jakub Dawidziuk, prof. PB

BIAŁYSTOK 2013

2

UKŁADY FORMOWANIA IMPULSÓW

1. WPROWADZENIE

Tematem ćwiczenia jest badanie kilku podstawowych aplikacji układów formowania

impulsów. Układy formowania zbudowane zostały przy użyciu wzmacniaczy operacyjnych oraz
komparatorów. W elektronice zarówno analogowej jak i cyfrowej często zachodzi konieczność
kształtowania i generacji różnych przebiegów. Ćwiczący ma możliwość zapoznania się z kilkoma
układami formowani impulsów. Ćwiczący może również samodzielnie zbudować układ całkujący lub
różniczkujący oraz bardziej skomplikowany układ formowania.

2. CEL I ZAKRES

Ć

WICZENIA LABORATORYJNEGO

Celem ćwiczenia jest zbadanie elementarnych układów przekształcających sygnały oraz

zbudowanie i zbadanie układów funkcjonalnych składających się z układów elementarnych.

3. METODYKA BADA

Ń

3.1

Opis stanowiska badawczego

UKŁADY FORMOWANIA IMPULSÓW

+12V

-12V

GND

US1 B

LM 393 B

6

5

7

R1

R2

33k

D1

US1 A

LM 393 A

2

3

8

4

1

-12V

+12V

R3

4,7k

R4

R5

4,7k

UKŁAD GENERUJ

Ą

CY NAPI

Ę

CIE PIŁOKSZTAŁTNE

DETEKTOR PRZEJ

Ś

CIA NAPI

Ę

CIA PRZEZ ZERO

PROSTOWNIK DWUPOŁÓWKOWY

UKŁAD CAŁKUJ

Ą

CY

UKŁAD RÓ

Ż

NICZKUJ

Ą

CY

LM393

PRZERZUTNIK MONOSTABILNY

CD4047

Q

Q

OSC

(+)TRI

(-)TRI

6

8

R

RC

C

3

2

1

AST

Vcc

4

14

10

11

13

5

9

12

7

AST CLR REtri Vss

CD4047

+12V

t

= 1,38 R C

OSC

t = 2,48 R C

Q

C4

KOMPARATOR Z HISTEREZ

Ą

7

8

2

3

4

1

-12V

+12V

4,7k

7

8

2

3

4

1

-12V

+12V

R9

P2
470k

R8

4,7k

R10

10k

R11

10k

LM311

LM311

US4

LM311

US3

LM311

LM317

2

1

3

+12V

C2

100n

P3

4,7k

C2

240

C3

100n

+12V

US2

TL081

2

3

7

4

6

-12V

+12V

R6

10k

P1
200k

-12V

C1

10n

D2

D3

T1

BF245

R7

20k

TL081

US5

US6

Rys 1. Widok makiety do przeprowadzania ćwiczenia

3.2

. Uwagi ogólne
Ć

wiczenie „Układy formowania impulsów” wykonywane jest przy pomocy makiety

przedstawionej na rys. 1. Makieta powinna być zasilana napięciem symetrycznym +/– 12 V. Trzy
przewody zasilające należy doprowadzić z zewnętrznego zasilacza do gniazd bananowych
oznaczonych +12V, GND, –12V.

3

UWAGA:

Doprowadzenie do makiety większych napięć zasilających niż +/– 12 V, lub

zamiana polaryzacji tych napięć może doprowadzić do uszkodzenia makiety.

Ć

wiczący ma możliwość łączenia różnych konfiguracji układu badanego za pomocą

przewodów o różnej długości zakończonych małymi wtykami bananowymi. Generalnie na
makiecie została przyjęta zasada, że gniazda połączone do wejść układów oznaczone są kolorem
ż

ółtym, a gniazda dołączone do wyjść układów mają kolor zielony. Kolorem czerwonym

oznaczony jest plus zasilania (+12V), kolorem niebieskim – minus (–12V). Masa układu
oznaczona jest kolorem czarnym.

Makieta ćwiczenia zawiera następujące bloki: detektor przejścia napięcia przez zero, układ

generujący napięcie piłokształtne, prostownik dwupołówkowy, komparator z histerezą, przerzutnik
monostabilny, układ całkujący (lub różniczkujący).

3.3

. Układ całkujący (lub różniczkujący)

Ć

wiczący ma możliwość zbudowania

prostego

układu

całkującego

lub

różniczkującego. W zależności od typu
układu w odpowiednich podstawkach należy
umieścić

wymienne

rezystory

i

kondensatory.

Zestaw

elementów

RC

dostępny jest w laboratorium.

Rys.

2.

Układ

całkujący

(lub

różniczkujący)

3.4

. Prostownik dwupołówkowy

Prostownik

dwupołówkowy

służy

do

wyprostowania

sygnału

sinusoidalnego

doprowadzonego z zewnętrznego generatora.

Rys. 3. Prostownik dwupołówkowy

UKŁAD CAŁKUJ

Ą

CY

UKŁAD RÓ

Ż

NICZKUJ

Ą

CY

PROSTOWNIK DWUPOŁÓWKOWY

4

3.5

. Detektor przejścia napięcia przez zero

Detektor przejścia napięcia przez zero zbudowany został przy użyciu dwóch komparatorów

umieszczonych w układzie scalonym LM 393.

Pierwszy z komparatorów porównuje napięcie wejściowe ze stałym napięciem około 0,6 V. (a

więc napięciem progowym
diody D1).

Drugi

z

komparatorów

służy

do

odwrócenia w fazie przebiegu
wyjściowego z pierwszego
komparatora.

Rys. 4. Detektor przejścia napięcia przez zero

3.6

Układ generujący napięcie piłokształtne

Układ generujący napięcie piłokształtne opiera się o wtórnik napięciowy zbudowany przy użyciu
wzmacniacza operacyjnego TL081 oraz źródła prądowego wykonanego na tranzystorze polowym

BF245.

Zasada działania

układu

polega

na

rozładowywaniu
kondensatora C1 stałym
prądem

ź

ródła

prądowego. Nachylenie
zbocza

opadającego

zależy

od

szybkości

rozładowywania
pojemności, a w tym
układzie od nastawy
potencjometra P1.

Rys. 5. Układ generujący napięcie piłokształtne

US1 B

LM 393 B

6

5

7

R1

R2

33k

D1

US1 A

LM 393 A

2

3

8

4

1

-12V

+12V

R3

4,7k

4,7k

DETEKTOR PRZEJ

Ś

CIA NAPI

Ę

CIA PRZEZ ZERO

LM393

+12V

R4

R5

UKŁAD GENERUJ

Ą

CY NAPI

Ę

CIE PIŁOKSZTAŁTNE

US2

TL081

2

3

7

4

6

-12V

+12V

10k

P1
200k

-12V

C1

10n

D2

D3

T1

BF245

20k

TL081

5

3.7

Komparator z histerezą

Komparator z histerezą wykonany został przy użyciu dwóch komparatorów LM311.

Pierwszy z komparatorów porównuje

napięcie wejściowe ze stałym napięciem
pochodzącym

z

wyjścia

stabilizatora

LM317.

Drugi z komparatorów służy do

odwrócenia w fazie przebiegu wyjściowego
z pierwszego komparatora oraz dopasowania
poziomów napięć do poziomów zgodnych
ze standardem CMOS. Potencjometr P2
służy do ustawiania szerokości histerezy, a
potencjometr P3 do ustawiania wartości
napięcia na wyjściu stabilizatora LM317.
wejściowego. Stosować go należy w
przypadkach gdy pojawi się trudność z
precyzyjnym ustawieniem wartości napięć
wejściowych.

Rys. 6. Komparator z histerezą

3.8

Przerzutnik monostabilny

Przerzutnik monostabilny wykonany przy użyciu układu CMOS CD4047 umożliwia

formowanie impulsów o określonym
czasie trwania. Czas trwania impulsu na
wyjściu przerzutnika zależy od wartości
elementów zewnętrznych C4 i R11.
Elementy te dobierają ćwiczący.

Układ

przerzutnika

posiada

możliwość

wyzwalania

zarówno

narastającym jak i opadającym zboczem
sygnału wejściowego.

Regulowane źródło napięciowe wykonane
zostało przy pomocy źródła napięcia
odniesienia TL 431. Źródło napięciowe w
układzie wzmacniacza różnicowego służy
do zadawania napięć wejściowych przy
pomiarach wzmocnień różnicowego i
sumacyjnego.


Rys. 7. Przerzutnik monostabilny

KOMPARATOR Z HISTEREZ

Ą

7

8

2

3

4

1

-12V

+12V

4,7k

7

8

2

3

4

1

-12V

+12V

R9

P2
470k

R8

4,7k

R10

10k

10k

LM311

LM311

US4

LM311

US3

LM311

LM317

2

1

3

+12V

C2

100n

P3

4,7k

C2

240

C3

100n

R6

R7

US5

PRZERZUTNIK MONOSTABILNY

CD4047

Q

Q

OSC

(+)TRI

(-)TRI

6

8

R

RC

C

3

2

1

AST

Vcc

4

14

10

11

13

5

9

12

7

AST CLR REtri Vss

CD4047

+12V

t

= 1,38 R C

OSC

t = 2,48 R C

Q

C4

R11

US6

6

4. Realizacja eksperymentu

4.1.

Badanie układu całkującego i różniczkującego

Należy zdjąć oscylogramy sygnałów wyjściowych układu różniczkującego i całkującego przy
pobudzaniu impulsem prostokątnym o dodatniej polaryzacji. Częstotliwość impulsów 1kH,
wypełnienie 1/2. Układy zbadać przy trzech wartościach stałych czasowych ~ 0,1 T, 1T, 10T. (T -
okres impulsów).

4.2. Badanie ogranicznika na diodzie Zenera

Zmontować układ ogranicznika na diodzie Zenera. Na wejście podać przebieg sinusoidalny i

trójkątny. Zdjąć oscylogramy.

4.3.

Układ generujący impulsy o regulowanym przesunięciu względem przejścia przez zero

napięcia sieci

Korzystając z układów elementarnych zawartych w makiecie zbudować układ na wyjściu którego

otrzymujemy impulsy o regulowanym przesunięciu względem przejścia przez zero napięcia sieci.
Wykorzystać kolejno operacje:
a)

formowania impulsów związanych z przejściem przez zero napięcia sieci,

b)

generację napięcia piłokształtnego z impulsów otrzymywanych w poprzednim układzie,

c)

porównywania - przy pomocy komparatora z histerezą - napięcia piłokształtnego z napięciem
zadawanym z wyjścia układu LM317.

d)

wyzwalania odpowiednim zboczem sygnału wyjściowego z komparatora układu uniwibratora

Elementy wymienne i regulacyjne dobrać tak aby uzyskać maksymalny zakres przesuwania

impulsów.

Zdjąć zależność przesuwania impulsu wyjściowego od napięcia sterującego. Określić

nieliniowość przetwarzania.

4.4.

Badanie układu częstotliwościomierza

Sygnał sinusoidalny w zakresie 100 - 1000 Hz podać następującym operacjom:
a)

formowanie impulsów prostokatnych

b)

różniczkowanie

c)

wyzwalanie uniwibratora

d)

całkowanie z dużą

e)

stałą czasową

Zdjąć charakterystykę wartości napięcia wyjściowego od częstotliwości napięcia wejściowego.

Określić nieliniowość przetwarzania. Sporządzić odpowiednie wykresy.

5. Prezentacja i analiza wyników bada

ń

W ćwiczeniu należy zdjąć i przerysować (lub przesłać do komputera niezbędne oscylogramy).

Wszystkie oscylogramy należy opisać (wielkości mierzone, wartości, jednostki).

Wyniki otrzymane z ćwiczenia należy porównać z obliczeniami teoretycznymi.
Na oscylogramach należy nanieść przebiegi teoretyczne oraz otrzymane z obliczeń.

7

6. Sprawozdanie studenckie

Sprawozdanie powinno zawierać:

•

schematy ideowe i blokowe badanych układów;

•

opis działania badanych bloków wraz z oscylogramami;

•

obliczenia wstępne (wykonane w domu) i końcowe;

•

wnioski sformułowane na podstawie wyników pomiarowych.

7. Wymagania BHP

Warunkiem przystąpienia do realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z obowiązującą
w laboratorium instrukcją BHP oraz przestrzeganie w niej zawartych zasad.

8. Literatura

1. Filipkowski A., Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe. Warszawa 2003.
2. Nosal Z., Baranowski J., Układy elektroniczne cz. I. /Układy analogowe i liniowe/.

Warszawa 2003.

3. Horowitz P., Hill W. Sztuka elektroniki cz. I. i II. Warszawa 2006.
4. Materiały katalogowe firm:

•

Texas Instruments,

•

National Semiconductor,

•

Philips.