Схема дифференциатора: Визуализация скорости изменения

Детали и материалы

• Два 6-вольтовых аккумулятора
• Конденсатор 0,1 мкФ (Radio Shack #272-135)
• Резистор 1 МОм
• Однооборотный линейный потенциометр 5 кОм (Radio Shack #271-1714)

Хотя подойдет любой линейный потенциометр, блок с меньшим сопротивлением обычно дает более чистый отклик. На практике я использовал 10 кОм с отличными результатами.

Перекрестные ссылки

Lessons In Electric Circuits, Volume 1, chapter 13: «Capacitors»

Цели обучения

• Построить базовую схему дифференциатора
• Получить наглядное понимание производной как скорости изменения

Схема

Иллюстрация

Инструкции

Используя схему, подключите потенциометр так, чтобы его движок выступал источником входного напряжения. Измерьте напряжение между движком и отрицательным полюсом нижнего 6-вольтового аккумулятора — это ваш вход. Вход будет плавно меняться от 0 до 12 В при полном повороте потенциометра.

Затем подключите цифровой вольтметр к резистору 1 МОм. Установите прибор на милливольтный диапазон для максимальной чувствительности. Когда потенциометр удерживается неподвижно, прибор должен показывать ноль (или пренебрежимое смещение). Медленно поворачивайте потенциометр по часовой стрелке и наблюдайте рост напряжения; затем поворачивайте против часовой стрелки и наблюдайте падение. Знак напряжения меняется с направлением движения, подтверждая, что схема выдает временную производную входного сигнала.

Попробуйте настроить потенциометр так, чтобы прибор показывал стабильное небольшое напряжение. Наиболее стабильные показания получаются при равномерном движении потенциометра — это создает линейное входное напряжение и постоянную производную.

Этот эксперимент демонстрирует основную концепцию дифференцирования: выходное напряжение схемы прямо пропорционально мгновенной скорости изменения входного напряжения. Поскольку схема выполняет математическую операцию в реальном времени, она функционирует как простой аналоговый компьютер. Более совершенные дифференциаторы используют операционные усилители и RC-сети для повышения точности и полосы пропускания; для дальнейшего изучения см. главу «Analog Integrated Circuits» в этом томе.

Связанные рабочие листы

• Passive Integrator and Differentiator Circuits Worksheet