Лабораторный курспо аналоговым системамизучение методов разработки
 Скачать 4.66 Mb.
|
|
Глава 9 Лабораторное занятие 8 Глава 9 Лабораторное занятие 8 Автоматическое управление усилением/Автоматическая регулировка громкости 9.1 Цель занятия В выходных каскадах электронных систем из-за того, что входной сигнал может изменяться в широком диапазоне, часто требуется усилитель с переменным коэффициентом усиления. Поэтому такие системы проектируются с обратной связью. В лабораторной работе мы рассмотрим такие системы. 9.2 Краткие теоретические сведения Подробное изложение этого вопроса содержится в [2]и [25]. В электрической цепи входной сигнал часто изменяется в широких пределах. Например, сигнал датчика существенно зависит от воздействия на него. Для того чтобы система была работоспособна, следует спроектировать усилительный тракт таким образом, чтобы его коэффициент усиления изменялся при работе – автоматическое регулирование усиления (АРУ). Если мы поддерживаем выходной сигнал постоянным, то такая схема называется: автоматическая регулировка уровня (АРУр). На рисунке 9.1 показана схема АРУ. Рис. 9.1. Схема АРУ/АРУр Рис. 9.1. Схема АРУ/АРУр Типовые характеристики вход/выход показаны на рисунке 9.2. Как видно из рисунка, выходное напряжение остается постоянным при превышении входным напряжением значения Vpi = 2 Vr Vref 9.3 Задание на проектирование Спроектируйте систему АРУ/АРУр, установите пиковое ограничении сигнала равным 2В. Vpi Vi Vpo 2 Vr Vref 2 Vr Vref 46 August 2010 Texas Instruments Таблица 9.1. Передаточные характеристики схемы АРУ 9.4 Необходимые измерения Передаточная функция. Снимите зависимость величины выходного сигнала от входного. 9.5 Оформление результатов занятия 1. Проведите моделирование схемы (см. рис. 9.1) на симуляторе TINA-TI и постройте график изменения выходного сигнала. В качестве выходного сигнала используйте синусоидальный сигнал фиксированной частоты. 2. Соберите на наборе ASLKv2010 схему АРУ (см. рис. 9.1). Снимите осциллограммы выходного напряжения и сравните с результатами, полученными при моделировании. 3. Снимите график выходного напряжения. Число точек графика должно быть довольно велико. Остается ли выходное напряжение постоянно при изменении входного? Начиная с какого значения входного напряжения, выходное напряжение не изменяется? Занесите результаты измерения в таблицу 9.1. График, полученный вами, должен иметь тот же вид, что и график на рисунке 9.3. 9.6 Выполнение упражнения 8 1. Определите полосу захвата схемы АРУ, используемой в занятии. Полоса захвата определяется как диапазон входного напряжения, при котором выходное напряжение не изменяется. 2. Спроектируйте схему АРУ/АРУр с пиковым значением выходного синусоидального сигнала равным 4 В. Рис. 9.3. Схема АРУ и диаграммы напряжений Номер измерения Входное напряжение Выходное напряжение Глава 9 Лабораторное занятие 8 47 August 2010 Texas Instruments Глава 10 Лабораторное занятие 9 Глава 10 Лабораторное занятие 9 DC/DC-преобразователь 10.1 Цель занятия Цель занятия – разработать DC/DC-преобразователь, состоящий из ОУ общего применения и компаратора, и изучить его характеристики. Другая цель: изучить характеристики микросхемы DC/DC-преобразователя, для чего мы выбрали преобразователь TPS40200, выпускаемый Texas Instruments. Эта микросхема входит в состав ASLKv2010. Мы будем стремиться спроектировать высокоэффективный DC/DC- преобразователь для широкого спектра применений, среди которых импульсные источники питания, аудиоусилители класса D и т.д. 10.2 Краткие теоретические сведения Более подробная информация по этому вопросу содержится в [15] и [24]. Треугольное выходное напряжение функционального генератора, который мы изучали на лабораторном занятии №8, подается на вход компаратора. Другой выход компаратора подключен к источнику опорного напряжения. Такая схема работает как широтно- импульсный модулятор (ШИМ). Рис. 10.1. DC/DC-преобразователь и форма ШИМ-сигнала Коэффициент заполнения определяется соотношением: τ/Т = ½ (1 Vref / Vp) где T = 1/f – период следования треугольного входного напряжения. Коэффициент заполнения прямо пропорционален опорному напряжению VREF. Если к выходу компаратора подключить фильтр нижних частот без потерь (например, LC-фильтр), как показано на рисунке 10.1, то на выходе фильтра будет постоянное напряжение. (10.1) Таким образом, мы получили DC/DC-преобразователь с высокой энергоэффективностью. 10.3 Задание на проектирование Спроектируйте DC/DC-преобразователь с частотой переключения 10 кГц, для создания опорного напряжения выберите источник с напряжением 5 В. Vav = - Vref • Vss / Vp 48 August 2010 Texas Instruments 10.4 Оформление результатов занятия 1. Проведите моделирование компаратора на симуляторе TINA-TI и постройте графики изменения регулируемого выходного и нерегулируемого выходного напряжений компаратора. Схема импульсного источника питании приведена на рисунке 10.2. V3 – нерегулируемое входное напряжение, VO – регулируемое выходное напряжение. Выходное напряжение резистивного делителя R1, R2 составит VF1 = VO × R2/(R1 + R2). Выход делителя подключается к компаратору. Другой вход компаратора подключен к опорному напряжению V2. Выходной сигнал компаратора изменяется таким образом, чтобы поддерживать постоянное напряжение на выходе источника питания. (10.2, 10.3) 2. Соберите на ASLKv2010 DC/DC-преобразователь и наблюдайте его напряжения, как описано выше. Сравните полученные результаты с результатами моделирования. 3. Постройте график изменения напряжения VAV в функции изменения VREF. Занесите полученные результаты в таблицу 10.1. Получилась ли линейная зависимость? 4. Постройте график изменения цикла t/T функции изменения опорного напряжения VREF. Занесите результаты в таблицу 10.2. Получилась ли линейная зависимость? Таблица 10.1. Изменение выходного напряжения в функции опорного напряжения DC/DC-преобразователя Таблица 10.2. Изменение коэффициента заполнения в функции опорного напряжения DC/DC-преобразователя 10.5 Выполнение упражнения 9 1. Объясните, как можно применить ключ PMOS, чтобы построить схему усилителя класса D на основе изученного нами DC/DC-преобразователя. Нарисуйте схему. Нужно ли использовать диод и почему? Vo = Vf2 • (1 + R1/R2) = V2 • (1 + R1/R2) Номер измерения Входное напряжение Выходное напряжение Номер измерения Входное напряжение Выходное напряжение Глава 10 Лабораторное занятие 9 49 August 2010 Texas Instruments Рис. 10.2 Импульсный источник питания (а), форма выходных напряжений (б) 2. Проведите описанный выше эксперимент с микросхемой DC/DC-преобразователя TPS40200 и сравните результаты. 3. Спроектируйте DC/DC-преобразователь с частотой переключения 100 кГц. Выберите источник опорного напряжения 5 В. Глава 10 Лабораторное занятие 9 50 August 2010 Texas Instruments Глава 11 Лабораторное занятие 10 Линейный регулятор с малым падением напряжения 11.1 Цель занятия Цель занятия – спроектировать линейный регулятор с малым падением напряжения, в англоязычной транскрипции – Low Dropout regulator (LDO) – используя ОУ общего назначения и изучить характеристики устройства. Мы рассмотрим также микросхему LDO TLV700xx и исследуем ее характеристики. Мы спроектируем LDO с высокой энергоэффективностью для использования в различных приложениях. 11.2 Краткие теоретические сведения Более подробная информация по этому вопросу содержится в [23]. В DC/DC- преобразователе, который мы изучили в предыдущей работе, ШИМ является источником шума, поэтому преобразователь не подходит для использования в приложениях, где большой шум недопустим. В LDO (см. рис. 11.1) наряду с ОУ используется PMOS-ключ, поэтому рассеяние тепла в ОУ минимально. Энергоэффективность LDO определяется как отношение выходного напряжения ко входному. В случае регулируемого выходного напряжения его величина составит: (11.1) 11.3 Задание на проектирование Спроектируйте 3-В LDO с входным напряжением в диапазоне: 4–5 В. 11.4 Оформление результатов занятия 1. Проведите моделирование LDO на симуляторе TINA-TI, постройте выходную характеристику, передаточную функцию и определите величину подавления пульсаций. 2. Снимите осциллограммы выходной характеристики, передаточной функции и пульсаций и сравните с результатами, полученными при моделировании. 3. Определите нагрузочную характеристику. Изменяйте нагрузку и контролируйте изменение выходного напряжения. Найдите значение тока нагрузки, при котором выходное напряжение остается неизменным. При дальнейшем увеличение тока выходное напряжение снижается. Занесите результаты в таблицу 11.1. 4. Определите величину ослабления пульсаций. Приложите к входу пульсирующее напряжение и измерьте величину пульсаций выходного напряжения. Запишите результаты в таблицу 11.3. 5. Измерьте линейную регулировочную характеристику. Изменяйте входное напряжения и контролируйте, как при этом изменяется выходное напряжение, постройте график. Занесите результаты в таблицу 11.2. 6. Вычислите выходной импеданс. 11.5 Выполнение упражнения 10 Проведите описанные выше эксперименты с микросхемой LDO TLV700xx, выпускаемой компанией Texas Instrument. Vo = Vref (1 + R2/R1) Глава 11 Лабораторное занятие 10 51 August 2010 Texas Instruments Рис. 11.1 Схема LDO Рис. 11.2 Схема для моделирования нагрузочной характеристики и линейной регулировочной характеристики Номер измерения Ток нагрузки Выходное напряжение Номер измерения Входное напряжение Выходное напряжение Номер измерения Пульсации входного напряжения Пульсации выходного напряжения Таблица 11.1 Нагрузочная характеристика Таблица 11.2 Линейная регулировочная характеристика Таблица 11.3 Ослабление напряжения пульсаций Глава 11 Лабораторное занятие 10 52 August 2010 Texas Instruments Приложение А Приложение А Микросхемы, используемые в ASLKv2010 Аналоговые микросхемы Texas Instruments, используемые в ASLKv2010 А.1 TL082, операционный усилитель с входным каскадом JFET А.1.1 Особенности l Малая потребляемая мощность. Широкий диапазон синфазного и дифференциального напряжений. Малые входные токи и ток смещения. Защита выхода от короткого замыкания. Низкие гармонические искажения: 0,003% (типовое значение). Высокий входной импеданс – обусловлен входными JFET. Отсутствует эффект защелкивания. Высокая скорость нарастания сигнала: 13 В/мкс. Входное синфазное напряжение вплоть до величины VCC+. l l l l l l l l Рис. А.1. TL082 – ОУ с JFET входным каскадом А.1.2 Приложения А.1.3 Описания Tl082 – семейство ОУ с JFET входным каскадом разработано для того, чтобы предложить более широкий выбор применений, нежели спроектированные ранее семейства усилителей. Общая черта всех ОУ нового семейства – хорошо согласованные высоковольтные JFET и биполярные транзисторы на одном кристалле. К особенностям ОУ отнесем: высокую скорость нарастания сигнала, низкий входной ток и малый ток смещения, малый температурный коэффициент напряжения смещения. Регулировка смещения посредством внешней компенсации доступна в семействе TL08х. Микросхемы с суффиксом «С» в обозначении имеют рабочий температурный диапазон: 0–70°С. Суффикс «I» означает диапазон рабочих температур –40…85°С. И, наконец, суффикс «Q» присутствует в обозначении микросхем с рабочим температурным диапазоном –40…125°С. А.1.4 Техническая документация Скачать техническую документацию можно по адресу: http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tl082.pdf 53 Инвертирующий вход А A Б + + - - 1 2 3 4 8 7 6 5 Выход А Выход Б Вход А Вход Б Инвертирующий вход Б Питание V+ Питание V- August 2010 Texas Instruments Рис. А.2. MPY634 – аналоговый умножитель А.2 MPY634: широкополосный аналоговый прецизионный умножитель А.2.1 Особенности • Широкая полоса: 10 МГц (типовое значение). • Максимальная погрешность во всех четырех квадрантах: 0,5%. • Внутренний широкополосный ОУ. • Простота в использовании. • Низкая стоимость. А.2.2 Приложения • Прецизионная аналоговая обработка сигнала. • Модуляция и демодуляция. • Управляемые напряжением усилители. • Обработка видеосигнала. • Управляемые напряжением фильтры и осцилляторы. А.2.3 Описание MPY634 – широкополосный аналоговый 4-квадрантный прецизионный умножитель. Его точность достигается посредством лазерной подгонки элементов при изготовлении, что делает умножитель удобным для применения во многих приложениях, т.к. не требуются внешние регулировочные элементы. Три дифференциальных входа – X, Y, Z – позволяют конфигурировать умножитель для выполнения умножения, деления, возведения в квадрат, извлечения квадратного корня и выполнения других операций с высокой точностью. Широкая полоса обрабатываемых сигналов позволяет работать в цепях промежуточной частоты, РЧ-цепях и в тракте видеосигнала. Встроенный ОУ упрощает проектирование по сравнению со случаями, когда используются другие высокочастотные умножители и балансные схемы. Применение MPY634 позволяет спроектировать цепи модуляции и демодуляции с отличным подавлением несущей частоты. Внутренний прецизионный источник опорного напряжения обеспечивает точность установки шкалы. Используя дифференциальный вход Z, с помощью внешнего резистора обратной связи можно выбрать масштабный коэффициент в пределах 0,1–10. Приложение А 54 August 2010 Texas Instruments А. 2.4 Техническая документация Скачать техническую документацию можно по адресу: А.3 DAC 7821: 12-разрядный параллельный умножающий ЦАП А.3.1 Особенности l Напряжение питания: 2,5–5,5 В. Быстрый параллельный интерфейс – цикл чтения: 17 нс. Производительность до 20,4 Мвыб/с. Полоса сигналов: 10 МГц. 10-В выходной сигнал. Расширенный температурный диапазон: –40…125°С. 20-выводной корпус TSSOP. 12 бит без пропуска кода. Внутренняя нелинейность (INL): 1МЗР. 4-квандрантное умножение. Сброс при провале напряжения питания ниже установленного порога. Функция чтения кода в обратном направлении. Конфигурация выводов соответствует промышленным стандартам. http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/mpy634.pdf l l l l l l l l l l l l Рис. А.3. DAC 7821 – цифроаналоговый преобразователь Приложение А 55 August 2010 Texas Instruments А.3.2 Приложения l Портативный инструмент с аккумуляторным питанием. Генератор сигналов. Аналоговая обработка сигналов. Программируемые усилители и аттенюаторы. Цифровая калибровка. Программируемые фильтры и осцилляторы. Композитные видеосигналы. Ультразвуковые сигналы. А.3.3 Описание DAC 7821 – 12-разрядный КМОП ЦАП с токовым выходом. Широкий диапазон напряжения питания (2,5–5,5 В) позволяет применять микросхему в приложениях с аккумуляторным питанием. Считывание данных может производиться в обратном направлении. Выбор направления считывания задается через вывод DB. При включении питания во внутренний регистр записываются нули, и выходное напряжение на выходе ЦАП также устанавливается равным нулю. Микросхема отличается отличными характеристиками умножения во всех 4 квадрантах в полосе частот 10 МГц. Внешнее опорное напряжение VREF определяет величину шкалы. Встроенный резистор обратной связи обеспечивает температурную компенсацию и полный размах шкалы выходного напряжения при подключении к выходу ЦАП преобразователя «ток-напряжение». DAC 7821 производится в 20-выводном корпусе TSSOP. А. 3.4 Техническая документация Скачать техническую документацию можно по адресу: l l l l l l l http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/dac7821.pdf Рис. А.4. DC/GC-контроллер Приложение А 56 August 2010 Texas Instruments А.4 TPS40200 понижающий DC/DC-контроллер с широким диапазоном входных напряжений и несинхронным выпрямлением А.4.1 Особенности • Входное напряжение: 4,5–52 В. • Выходное напряжение (700 мВ до 90% VIN). • Выходной ток 200 мА (внутренний PFET). • Упреждающая компенсация по напряжению. • Защита от провала напряжения. • Программно устанавливаемая рабочая частота в диапазоне: 35–500 кГц. • Защита с повторным срабатыванием от превышения токов. • Программируемый мягкий старт. • Источник внутреннего опорного напряжения 700 мВ±1%. • Внешняя синхронизация. • Миниатюрные 8-выводные корпуса SOIC (D) и QFN (DRB) А.4.2 Приложения • Промышленная автоматика. • Распределенные системы питания. • DSL-кабельные модемы. • Сканнеры. • Телекоммуникации. А.4.3 Описание TPS40200 – понижающий DC/DC-контроллер с несинхронным выпрямлением и встроенным 200-мА ключом PFET. Входное напряжение достигает 52 В. В схеме применены энергосберегающие решения – внутренний токовый драйвер отключается, как только полностью открывается внешний FET. Таким образом предотвращаются внутренние потери. Преобразователь работает в режиме управления по напряжению с упреждающей компенсацией. Внутренний источник напряжения подстраивается с точностью ±2%. TPS40200 производится в 8-выводном корпусе SOIC и может работать со многими преобразователями. А.5 TPS40200EVM-002 TPS40200EVM-002 – оценочный модуль (EVM) для понижающего контроллера TPS40200 с несинхронным выпрямлением. Резистор обратной связи выбран так, чтобы выходное напряжение составило 3,3 В, выходной ток до 2,5 А, входное напряжение 24 В. EVM работает от одного источника напряжения, к контроллеру подключены внешний PFET и диод Шоттки, образуя завершенный экономичный преобразователь. Его рабочая частота составляет 200 кГц и определяется внешними емкостью и резистором. TPS40200EVM-002 предназначен для работы с входным напряжением 18–36 В, при этом выходное напряжение преобразователя составит 3,3 В при токе нагрузки 0,125–2,5 В. Блок TPS40200EVM-002 иллюстрирует типовое применение контроллера TPS40200. Выходное напряжение EVM может быть настроено в пределах 0,7–5 В посредством изменения величины резистора обратной связи. В руководстве пользователя приведена таблица со значениями резисторов с разбросом 1% для выбора требуемого выходного напряжения. |