Лабораторный курспо аналоговым системамизучение методов разработки
 Скачать 4.66 Mb.
|
|
Глава 4 Лабораторное занятие 3 30 August 2010 Texas Instruments Глава 4 Лабораторное занятие 3 Номер измерения Входная частота Амплитуда Фаза Таблица 4.2. Зависимость фазы и амплитуды дифференциатора от входной частоты 4. Временные характеристики. Приложите прямоугольную импульсную последовательность напряжения VP ко входу интегратора. Изменяйте амплитуду входного напряжения и контролируйте изменение выходного напряжения от пика до пика VPP. Это напряжение прямо пропорционально VP: VPP = (VP×T)/2RC, где T = 1/f, f – частота входного напряжения. Полученные результаты запишите в таблицу 4.3. На рисунке 4.4 показаны результаты, полученные на симуляторе. Таблица 4.3. Изменение выходного напряжения (пик-пик) в функции входного напряжения (пик-пик) Частотные характеристики интегратора и дифференциатора Номер измерения Входное напряжение VP Выходное напряжение V PP 31 August 2010 Texas Instruments R C VF2 - + R C VF1 - + + Integrator Differentiator V2 V1 Vg1 Рис. 4.4. Выходные напряжения интегратора и дифференциатора при входных сигналах в виде прямоугольной и треугольной импульсных последовательностей Рис. 4.5. Интегратор Deboo Глава 4 Лабораторное занятие 3 32 August 2010 Texas Instruments 1 2 4Q H Q O 1 - 1 2 2Q ω = ω 1 - 0 Глава 5 Лабораторное занятие 4 Аналоговые фильтры 5.1 Цель занятия Изучить принцип действия 4 типов фильтров второго порядка: фильтра низких частот (ФНЧ), фильтра высоких частот (ФВЧ), полосового фильтра (ФП), заграждающего фильтра (ФЗ). Определить их частотные характеристики: АЧХ и ФЧХ. 5.2 Краткие теоретические сведения На основе фильтров второго порядка создаются фильтры более высоких порядков: N>2. Если N – нечётное число, то фильтр реализуется с помощью (N – 1)/2 фильтров второго порядка и фильтра первого порядка. Если N – чётное число, то фильтр реализуется с помощью N/2 фильтров второго порядка. Более подробно теория активных фильтров изложена в [19]. Существует 4 типа фильтров второго порядка, их передаточные функции приведены в таблице 5.1. В таблице приняты обозначения: ω0 = 1/RC; H0 – коэффициент усиления на низкой частоте. На этом занятии мы опишем универсальный активный фильтр, обеспечивающий все функциональные возможности: ФНЧ, ФВЧ, ФЗ, ФП. Рис. 5.1. Универсальный активный фильтр второго порядка На рисунке 5.1 показан фильтр второго порядка, реализованный на двух интеграторах. Обратите внимание – различные выходы ОУ являются выходами всех четырех типов фильтров: ФНЧ, ФВЧ, ФЗ, ФП. 5.3 Частотные характеристики фильтров АЧХ и ФЧХ фильтров показаны на рисунке 5.2. Обратите внимание, что АЧХ ФНЧ имеет пик на частоте Это выражение можно записать иначе: Максимальная чувствительность фазы к изменению частоты наблюдается при ω = ω0. Глава 5 Лабораторное занятие 4 δφ - 2Q δω • ω O 33 August 2010 Texas Instruments Глава 5 Лабораторное занятие 4 Рис. 5.2. Амплитудно- и фазочастотные характеристики фильтров: ФНЧ, ФВЧ, ФЗ и ФП Таблица 5.1. Передаточные характеристики активных фильтров 5.5 Необходимые измерения 1. Подключите прямоугольную импульсную последовательность (f = 1 кГц и f = 10 кГц) к входу ФП и ФЗ и измерьте напряжения на выходе фильтров. • На выходе ФП также должна быть импульсная последовательность той же частоты с амплитудой 4VP/πH0Q, где VP – амплитуда входного сигнала. • Выходной сигнал ФЗ будет представлять собой гармоники прямоугольной последовательности. Частота гармоник отлична от частоты входного сигнала. 2. Частотные характеристики. Приложите ко входу синусоидальное напряжение и наблюдайте амплитуду и фазу выходного сигнала Фильтр низких частот (ФНЧ) Фильтр высоких частот (ФВЧ) Фильтр полосовой (ФП) Фильтр заграждающий (ФЗ) 34 August 2010 Texas Instruments Глава 5 Лабораторное занятие 4 5.6. Оформление результатов занятия 1. Проведите моделирование на симуляторе TINA-TI фильтров ФП и ФЗ для установившегося режима. 2. Сравните результаты моделирования и экспериментально полученные результаты. 3. Частотные характеристики. Приложите ко входу синусоидальное напряжение и, изменяя частоту входного сигнала, снимите АЧХ и ФЧХ. Их вид должен совпадать с приведенными выше. Результаты запишите в таблицы 5.2 и 5.3 Таблица 5.2. Частотные характеристики ФП при ω0 = 1 кГц, Q = 1 Таблица 5.3. Частотные характеристики ФЗ при ω0 = 10 кГц, Q = 10 5.7 Выполнение упражнения 4. 1. Фильтры высшего порядка создаются с помощью каскадирования фильтров второго порядка и, при необходимости, фильтра первого порядка. Спроектируйте ФНЧ фильтр Баттерворта третьего порядка, используя программу FilterPro. Получите частотные и переходные характеристики. Параметры фильтра: ω0 = 2∏×104 и H0 = 10. 2. Спроектируйте ФЗ-фильтр для ослабления частоты питающей сети 50 Гц. Для испытания этого фильтра синтезируйте колебания V(t) = sin(100∏t) + 0,1 sin(200∏t) и приложите ко входу фильтра. Какой выходной сигнал вы получите? 5.8 Схожие микросхемы На рисунке 5.1. изображен универсальный активный фильтр. Такой фильтр можно получить с использованием микросхемы UAF42 компании Texas Instruments. Мы предлагаем вам использовать эту микросхему и изучить ее особенности. Техническая документация UAF42 доступна на www.ti.com. Рекомендации по применению изложены в [7], [11] и [12]. Номер измерения Входная частота Фаза Амплитуда Фаза Амплитуда Полоса пропускания Полоса подавления Номер измерения Входная частота Фаза Амплитуда Фаза Амплитуда Полоса пропускания Полоса подавления 35 August 2010 Texas Instruments Глава 6 Лабораторное занятие 5 Глава 6 Лабораторное занятие 5 Самонастраивающиеся фильтры 6.1 Цель занятия Цель занятия – изучить концепцию самонастраивающихся фильтров. Суть идеи – подобрать постоянную времени RC таким образом, чтобы фаза выходного сигнала была сдвинута относительно фазы входного сигнала на 90°. Необходимо будет использовать анализатор искажений и анализатор спектра для изучения гармоник основной частоты. 6.2 Краткие теоретические сведения Для проектирования самонастраивающихся фильтров и для следующих работ мы должны более полно изучить аналоговый умножитель. Подробные сведения о нем приведены в [21]. В ASLKv2010 используется умножитель MPY634 компании Texas Instruments. Рис. 6.1. Аналоговый умножитель На рисунке 6.1 показано схемное обозначение умножителя, а ниже приведено соотношение для вычисления выходного сигнала где: ξ – отражает нелинейность преобразования, K и K – отражают паразитное прохождение сигнала, X Y K – коэффициент нормализации, который определим из соотношения: 0 Vr = 1/ K0. Для прецизионного умножителя Vr < Vx и Vy< Vr. Следовательно, выходной сигнал прецизионного умножителя: V0 = (Vx × Vy)/Vr. Если бы на лабораторном занятии 4 заменили интегратор на умножитель, то получили бы фильтр, управляемый напряжением (или фазовый генератор управляемый напряжением). На рисунке 6.2 показан самонастраивающийся фильтр. Выходное напряжение фильтра, а также управляющее напряжение приведено на рисунке 6.3. (6.1) V = V + K • V + K • V + K • V •V + ξ O offset X X Y Y O X Y V X V Y V = f ( V , V ) O X Y 36 August 2010 Texas Instruments Глава 6 Лабораторное занятие 5 6.2.1 Умножитель в качестве фазового детектора На рисунке 6.1 примем: (6.2) Тогда выходной сигнал умножителя составит: (6.3) ФНЧ подавит высокочастотную составляющую, и выходной сигнал приобретет вид: (6.4) (6.5) KPD – чувствительность фазового детектора, его размерность, В/радиан. При φ = 90°, VAV = 0. Эта информация используется для настройки фильтра, управляемого напряжением. Фильтр, управляемый напряжением, вкупе с фазовым детектором и компаратором называется самонастраивающимся фильтром. На рисунке 6.2 ω0 фильтра, управляемого напряжением, задана соотношением: Поэтому Чувствительность фильтра, управляемого напряжением: Выходные параметры ФНЧ: Следовательно, чувствительность фильтра, управляемого напряжением: При изменении частоты входного напряжения сдвиг фазы выходного сигнала относительно входного будет поддерживаться равным 90°, если VAV = 0. 37 August 2010 Texas Instruments Глава 6 Лабораторное занятие 5 6.3 Параметры Предположим, что частота входного сигнала составляет 1 кГц, и выберем полосовой фильтр с высокой добротностью и центральной частотой 1 кГц. Таблица 6.1. Изменение выходной амплитуды в функции частоты входного сигнала 6.4 Необходимые измерения 6.4.1 Временные характеристики Приложите ко входу напряжение в виде прямоугольной импульсной последовательности и наблюдайте выходное напряжение полосового фильтра – основную частоту и гармоники. 6.5 Оформление результатов занятия 1. Проведите моделирование схемы на симуляторе TINA-TI и определите временные характеристики схемы. 2. Снимите осциллограммы и сравните полученные экспериментальным путем результаты с результатами моделирования. 3. Измерьте амплитуду основной частоты (на выходе полосового фильтра) при различной частоте и фиксированной амплитуде входного сигнала и занесите результаты в таблицу 6.1. Амплитуда выходного сигнала должна оставаться постоянной при изменении частоты входного сигнала в пределах диапазона регулирования. 6.5.1 Выполнение упражнения 5 1. Определите диапазон регулирования спроектированного самонастраивающегося фильтра. В этом диапазоне амплитуда выходного сигнала должна быть равна HO×Q×VI и оставаться постоянной при изменении частоты входного сигнала. 2. Повторите описанный выше эксперимент с иной формой входного сигнала, например, при треугольном сигнале. 6.5.2 Схожие микросхемы Texas Instruments производит также усилители управляемые напряжением (например, VCA820) и умножающие ЦАП (такие как DAC7821), которые могут быть использованы при построении аналогового умножителя. Более подробную информацию можно получить в руководствах по применению на сайте: www.ti.com. Входное напряжение = Номер измерения Частота входного сигнала Амплитуда входного сигнала 38 August 2010 Texas Instruments Глава 6 Лабораторное занятие 5 Рис.6.2. Самонастраивающийся фильтр, созданный на основе управляемых напряжением фильтра и генератора фазы Рис. 6.3. Выходной сигнал самонастраивающегося фильтра, полученный посредством моделирования на симуляторе TINA-TI 39 August 2010 Texas Instruments Глава 7 Лабораторное занятие 6 Глава 7 Лабораторное занятие 6 Функциональный генератор и осциллятор, управляемый напряжением 7.1 Цель занятия Цель занятия состоит в том, чтобы научится проектировать функциональные генераторы, способные генерировать напряжения прямоугольной и треугольной формы заданной частоты. Затем мы преобразуем генератор в управляемый напряжением осциллятор, применяемый во многих приложениях. 7.2 Краткие теоретические сведения Функциональный генератор включает триггер Шмитта и интегратор, охваченные петлей обратной связи. Если интегратор заменить на комбинацию умножителя и интегратора, то получим управляемый напряжением осциллятор (УНО), ему соответствует англоязычный термин – Voltage Controlled Oscillator (VCO). Более подробные сведения можно получить в [26]. Схема функционального генератора показана на рисунке 7.1, а его выходное напряжение – на рисунке 7.2. Выходное напряжение прямоугольной формы создается на выходе триггера Шмитта, а напряжение треугольной формы – на выходе интегратора. Частота колебаний составляет f = (1/4RC)×(R2/R1). Рис. 7.1. Функциональный генератор При замене в схеме функционального генератора интегратора на комбинацию аналогового умножителя и интегратора получим УНО (см. рис. 7.3). Частота на выходе УНО определится соотношением: KVCO – чувствительность УНО является важнейшим параметром и определяется из выражения: (7.1) УНО находит применение во многих приложениях. Он используется в частотной модуляции FSK/FM в модуляторе МОДЕМа. Он используется также при фазовой автоподстройке частоты, которую мы изучим на следующем занятии, в усилителях класса D, в импульсных источниках питания. 40 August 2010 Texas Instruments Глава 7 Лабораторное занятие 6 Рис. 7.2. Осциллограмма напряжений функционального генератора 7.3 Параметры Спроектируем функциональный генератор с прямоугольной и треугольной формой выходных импульсов частотой 1 кГц. 7.4 Необходимые измерения Определим частоту выходной последовательности импульсов. Теоретически она описывается выражением: При преобразовании функционального генератора в управляемый напряжением осциллятор чувствительность последнего выразится соотношением dfS/dVC. 7.5 Оформление результатов занятия 1. Проведите моделирование на симуляторе TINA-TI и распечатайте графики выходного напряжения генератора. Рис. 7.3. Регулируемый напряжением осциллятор 41 August 2010 Texas Instruments Глава 7 Лабораторное занятие 6 Таблица 7.1. Изменение частоты в функции управляющего напряжения 2. Соберите на наборе ASLKv2010 функциональный генератор и снимите осциллограммы его выходного напряжения. Сравните их с результатами моделирования. 3. Изменяйте напряжение управления генератором и контролируйте изменение частоты сигнала генератора. Запишите результаты в таблицу 7.1 и вычислите чувствительность 7.6 Выполнение упражнения 6 1. Спроектируйте функциональный генератор с выходными импульсами прямоугольной и треугольной формы и частотой 10 кГц. 2. Приложите импульсную прямоугольную последовательность амплитудой 2 В к осциллятору, управляемому напряжением, и наблюдайте эффект частотной модуляции. Номер измерения Управляющее напряжение (Vc) Изменение частоты 42 August 2010 Texas Instruments Глава 8 Лабораторное занятие 7 Глава 8 Лабораторное занятие 7 Фазовая автоподстройка частоты 8.1 Цель занятия Цель занятия состоит в том, чтобы студенты поняли функциональное назначение устройства фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ, в англоязычной транскрипции – Phase Locked Loop, PLL). ФАПЧ применяется во множестве приложений для стабилизации частот свыше 100 МГц. 8.2 Краткие теоретические сведения Пьезокристаллы способны генерировать стабильную частоту в диапазоне от сотен килогерц до нескольких мегагерц. Если требуется большая частота, то приходится прибегать к дополнительному устройству – аналоговому умножителю частоты, который умножает опорную частоту на заданный коэффициент. Эти схемы и называются ФАПЧ. Более подробную информацию можно найти в [22]. ФАПЧ использует два устройства. Одно из них – самонастраивающиеся фильтры были описаны в лабораторной работе 6, а другое – управляемый напряжением фазовый генератор – в лабораторной работе 7. Если заменить управляемый напряжением генератор на управляемый напряжением фильтр, получим ФАПЧ (см. рис. 8.1) Рис. 8.1. Схема ФАПЧ (а) и ее характеристики (б) Чувствительность ФАПЧ задается коэффициентом KVCO: (8.1) здесь ω = VC/(4VR×RC) – частота осциллятора, управляемого напряжением. Отсюда: (8.2) (8.3) 43 August 2010 Texas Instruments Глава 8 Лабораторное занятие 7 Когда управляющее напряжение не приложено, выходная частота осциллятора составляет ω0Q и связана с напряжением управления VCQ. Если входное VI напряжение имеет ту же частоту, что и ω0Q, то ФАПЧ продолжает работать на этой же частоте. Фаза выходной частоты ФАПЧ находится между фазами напряжений VCQ и VI. Это объяснялось в лабораторном занятии 6. Поскольку частота входного сигнала изменяется, соответственно изменяется и напряжение управления так, чтобы удерживать стабильной выходную частоту. В результате этого фаза выходного сигнала меняется относительно входного сигнала вплоть до сдвига на 90°. Диапазон изменения входной частоты, при котором частота выходного сигнала остается неизменной, называется диапазоном фиксации. Если KPD выражает чувствительность системы, то диапазон фиксации выразится формулой: (8.4) В обе стороны от частоты ω0Q. 8.3 Задание на проектирование Спроектируйте ФАПЧ с диапазоном фиксации 1 кГц при частоте ω0Q = 1 кГц. 8.4 Необходимые измерения 1. Измерьте диапазон фиксации системы. 2. Измерьте диапазон изменения фазы выходного сигнала в зависимости от изменения входной частоты в пределах диапазона фиксации. Рис. 8.2. Образец выходного сигнала ФАПЧ при входном сигнале прямоугольной формы 44 August 2010 Texas Instruments Глава 8 Лабораторное занятие 7 3. Изменяйте частоту входного сигнала и контролируйте изменение управляющего напряжения. Сравните выходные характеристики с показанными на рисунке 8.2. На этом рисунке размах сигнала прямоугольной импульсной последовательности составляет ±10 В, а амплитуда выходного сигнала: ±5 В. Треугольные импульсы – другой выход ФАПЧ. Управляющее напряжение меняется (показанное на рисунке тонкой линией изменяется незначительно). 8.5 Оформление результатов занятия 1. Проведите моделирование на симуляторе TINA-TI. 2. Соберите схему ФАПЧ на ASLKv2010 и наблюдайте на осциллографе форму сигналов. Сравните их с полученными на симуляторе. 3. Измерьте изменение фазы выходного сигнала при изменении частоты выходного сигнала в пределах диапазона фиксации. Занесите результаты в таблицу 8.1. 4. Изменяйте частоту входного сигнала и наблюдайте изменение управляющего напряжения. Результаты запишите в таблицу 8.2. Таблица 8.1. Изменение фазы сигнала в функции входной частоты Таблица 8.2. Изменение управляющего напряжения в функции входной частоты 8.6 Выполнение упражнения 7 1. Спроектируйте ФАПЧ с диапазоном фиксации 10 кГц и частотой ω0 = 10 кГц 2. Спроектируйте синтезатор частоты 1 МГц, ко входу которого подключен 100-кГц кристалл (см. рис. 8.3). Рис. 8.3. Структурная схема синтезатора частоты Номер измерения Частота входного сигнала Фаза выходного сигнала Номер измерения Частота входного сигнала Фаза выходного сигнала 45 August 2010 Texas Instruments |