Методичка по промышленной электронике. Методические указания и задания для выполнения контрольной работы по дисциплине Основы промышленной электроники
 Скачать 417.73 Kb.
|
|
2) Линейные (частотные) искажения - характеризуют неравномерность усиления в полосе пропускания; 3) Нелинейные искажения – характер-т искажение формы усиливаемого сигнала; 4) Рабочий диапазон частот; 5) Чувствительность - наименьшая величина входного сигнала, при кото- рой на выходе создается номинальная мощность; 6) Выходная мощность; 7) Входное и выходное сопротивления; 8) Уровень собственных шумов. В основном используются интегральные усилители, что объясняется их более высокой технологичностью, надёжностью, дешевизной и меньшими массогабаритными характеристиками по сравнению с усилителями на дис- кретных элементах. Интегральные операционные усилители Операционный усилитель (ОУ) представляет собой усилитель посто- янного и переменного тока с большим коэффициентом усиления и глубокой отрицательной обратной связью. За счёт наличия глубокой отрицательной обратной связи коэффициент усиления, свойства и параметры ОУ зависит только от параметров и структуры цепи обратной связи и структуры вход- ной цепи. Широкое распространение операционных усилителей связано с их уни- версальностью (возможность построения на их основе различных электрон- ных устройств, причём, как аналоговых, так и импульсных), широким диапазоном частот (усиление сигналов постоянного и переменного токов), независимость основных параметров от внешних дестабилизирующих фак- торов (изменение температуры, напряжения питания и др.). Присутствие в названии слова “операционные” объясняется возможно- стью выполнения данными усилителями ряда математических операций - суммирования, вычитания, дифференцирования, интегрирования и др. В основном используются интегральные усилители (ИОУ), что объясня- ется их более высокой технологичностью, надёжностью, дешевизной и меньшими массогабаритными характеристиками по сравнению с усилителя- ми на дискретных элементах. На рисунке 2.1 изображено услов- но-графическое обозначение и основ- ные выводы ИОУ. Усилитель имеет два входа (входная цепь ОУ построена на дифференциальном усилителе) и один выход. При подаче входного сигнала на неинвертирующий вход, выходной сиг- нал той же полярности (фазы)–рис 2.2 а Рисунок 2.1 - Условно-графическое обозначение и основные выводы ИОУ При использовании инвертирующего входа фаза выходного сигнала бу- дет сдвинута на 180˚ по отношению к фазе входного сигнала (полярность изменяется на противоположную) - рисунок 2.2 б. В случаи использо- вания обоих входов выходное напряжение пропорционально разно- сти входных напряжений U вых =К(U вх1 –U вх2 ), (2.1) где К – коэффициент усиления а) б) Рисунок 2.2 – Временные диаграммы ОУ а) U вх подано на неинвертирующий вход б) U вх подано на инвертирующий вход Питание ОУ чаще всего осуществляется от двухполярного источника питания, обычно +15В -15В. U вх2 U вх1 инверт ирующ ий вход неинверт ирующ ий вход U вых +U п -U п U вх1 U вых t t U вх1 U вых t t Рассмотрим работу ИОУ на основании амплитудной (передаточной) ха- рактеристикой – рисунок 2.3. На характеристике можно выделить ли- нейный или рабочий участок, на котором с увеличением входного напряжения пропор- ционально увеличивается выходное, и два участка насыщения U + нас и U - нас . При опре- делённом значении входного напряжения U вхmax усилитель переходит в режим насы- щения, при котором выходное напряжение принимает максимальное значение (при значении U п = 15В примерно U нас = 13В) и остаётся неизменным при дальнейшем уве- личении входного сигнала. Рисунок 2.3 – Амплитудная характеристика ИО Переход усилителя в насыщения приводит к большим нелинейным искажениям (рисунок 2.4), поэтому данный режим используется только в импульсных устройствах на ОУ. Рисунок 2.4 – Временные диаграммы ОУ в режиме насыщения При наличии обратной связи на входе усилителя действует входное на- пряжение и напряжение обратной связи, и коэффициент усиления находит- ся по формуле К = U вых / U у , (2.2) где U у = U вх – U ос Отрицательная ОС – напряжение обратной связи имеет противопо- ложную полярность (фазу) по отношению к входному сигналу, и поэтому имеет знак “минус”. Т.о. отрицательная обратная связь (ООС) уменьшает коэффициент усиления, но при этом повышает стабильность работы усили- теля, уменьшает нелинейные искажения и расширяет полосу пропускания. При глубокой ООС коэффициент усиления зависит только от коэффициента обратной связи, что позволяет избавится от влияния нестабильности пара- метров полупроводникового материала, на котором выполняются усилители. Неинвертирующий усилитель - (рисунок 2.5) не переворачивает фазу входного сигнала. Напряжение ООС через делитель на резисторах R1 и R2 подаётся на инвертирующий вход. Коэффициент уси- ления определяется по формуле К = U mвых / U mвх = 1 + R2/R1 (2.3) Рисунок 2.5 - Неинвертирующий усилитель Для обеспечения заданного коэффициент усиления необходимо задать соответствующие значения R1 и R2. Значение R1 выбирается в диапазоне 2 ÷ 10 кОм. Задавшись значением R1, определяется значение R2. Данные соотношения относятся и к другим типам ОУ U вх U вых DA R2 R1 U вх U вых U +нас U -нас -15 +15 инверт ирующ ий неинверт ирующ ий 0 U вых t U +нас U -нас Инвертирующий усилитель - (рисунок 2.6) не только усиливает входной сигнал, но и инвертирует (переворачивает) фазу сигнала на 180˚. Цепь обратной связи выполне- на на резисторах R1 и R2. Коэффициент уси- ления определяется по формуле Рисунок 2.6 - Инвертирующий усилитель К = U mвых / U mвх = - R2/R1 (2.4) Знак минус показывает инвертирование фазы (изменение полярности). Суммирующий усилитель - (рисунок 2.7) выполняет операцию сложе- ния с усилением суммы в К раз. При равен- стве входных сопротивлений выходное напряжение определяется по формуле Рисунок 2.7 - Суммирующий усилитель U mвых = - R2/R1 (U mвх1 + U mвх2 + U mвх3 ) (2.5) Сложение входных сигналов происходит с учётом их полярности. Вычитающий усилитель - (рисунок 2.8) выполняет операцию вычита- ния двух напряжений с усилением разности в К раз. При условии R2/R1 = R4/R3 выход- ное напряжение определяется по формуле U mвых = R2/R1 (U mвх2 - U mвх1 ) (2.6) Также с учётом полярности входных напряже- ний. Рисунок 2.8 – Вычитающий усилитель В соответствии с вариантом (таблица 2.1) выполните следующие за- дания: 1) Начертите схему усилителя заданного варианта; 2) Рассчитайте параметры элементов усилителя – сопротивление рези- сторов R1,R2 и коэффициент усиления К; 3) Рассчитайте и постройте амплитудную (передаточную) характеристи- ку усилителя; 4) Кратко опишите работу усилителя с использованием временных диа- грамм входных и выходного напряжений. Временные диаграммы работы строятся в масштабе по осям напряжения и времени, и синхронно во вре- мени, т.е. друг под другом; 5) Постройте АХ и временные диаграммы, отражающие работу усилителя при увеличении сопротивления R2 в 2 раза. U вх U вых DA R1 R2 U вх1 U вых DA R1 R2 R1 R1 U вх3 U вх2 U вх1 U вых DA R1 R2 U вх2 R3 R4 Таблица 2.1 – Варианты заданий для расчёта ИОУ Исходные данные № варианта Тип ИОУ U mвх1 , В U mвх2 , В U mвых , В f, кГц 1 неинвертирующий 0.8 - 8 2 2 инвертирующий 4.1 - 11.5 1.1 3 суммирующий 2 1.5 10.5 0.5 4 вычитающий 4.3 3 11 0.4 5 неинвертирующий 6 - 12.5 0.3 6 инвертирующий 3.3 - 7.5 0.2 7 инвертирующий 2.5 - 10.5 1.3 8 суммирующий 1.8 1.5 9.8 1.4 9 вычитающий 3.8 1 10 1.5 10 неинвертирующий 3.2 - 8.8 2.6 11 неинвертирующий 3.4 - 9.3 1.6 12 неинвертирующий 2.7 - 7.5 1.8 13 инвертирующий 3.1 - 13 1.7 14 инвертирующий 2.6 - 5.5 1.9 15 суммирующий 2.9 3.1 14 2.1 16 суммирующий 1.7 2.2 12.5 2.3 17 суммирующий 1 2 14 2.4 18 вычитающий 6 2 13 2.2 19 вычитающий 5 2 12 2.5 20 вычитающий 4 1.5 11 2.7 21 неинвертирующий 1.1 - 6 2.8 22 неинвертирующий 1.2 - 7 2.9 23 неинвертирующий 2 - 8 3.1 24 инвертирующий 4 - 10 3.2 25 неинвертирующий 2 - 10 3.7 26 инвертирующий 5 - 12 3.3 27 вычитающий 5.5 4 13 3.8 28 суммирующий 1 2 6 3.1 29 суммирующий 1.2 2.5 8 3.4 30 суммирующий 1.4 1.8 9.5 1.7 ЗАДАНИЕ 3 – Электронные генераторы Общие сведения Генераторами называются электронные устройства, преобразующие энергию источника постоянного тока в энергию переменного тока (электро- магнитных колебаний) различной формы требуемой частоты и мощности. Генераторы применяются в радиовещании, радиолокации, обработке металлов, для формирования сигналов заданной формы: для питания пара- метрических датчиков; для микропроцессорных систем и т. д. Классификация генераторов: - по форме выходных сигналов: генераторы синусоидальных сигналов, генераторы сигналов прямоугольной формы (мультивибраторы), генерато- ры сигналов треугольной формы, генераторы сигналов линейно изменяю- щегося напряжения (ГЛИН) или их еще называют генераторами пилообразного напряжения, сигналов специальной формы; - по частоте генерируемых колебаний генераторы подразделяют условно на генераторы низкой частоты (до 100 кГц) и генераторы высокой частоты (свыше 100 кГц); - по способу возбуждения: генераторы с независимым (внешним) возбуж- дением и генераторы с самовозбуждением (автогенераторы). Условия самовозбуждения генераторов Для самовозбуждения генераторов сигна- лов любой формы необходимо наличие цепи положительной обратной связи (ПОС) соот- ветствующей структуры для каждой формы сигнала (рисунок 3.1). Заданная частота ко- лебаний обеспечивается частотозадающей LC или RC-цепью, в которой перезаряд конденса- тора происходит во времени с заданной ско- ростью. Рисунок 3.1 – Структурная схема генератора Для возникновения автоколебательного процесса необходимо выпол- нение двух условий (балансов): 1) в генераторе должна быть положительная обратная связь (ПОС), т. е. сигнал, проходя через цепь ПОС, сдвигается по фазе на угол φ, а проходя через усилитель, сдвигается на тот же угол и возвращается на выход уси- лителя в той же фазе, в какой начинался цикл прохождения сигнала по петле ПОС. Это условие называют балансом фаз. 2) сигнал, проходя по цепи ПОС, ослабляется в К раз, а проходя через усилитель, увеличивается в К раз и приходит на выход усилителя с той же самой амплитудой. Это условие называют балансом амплитуд. Генераторы RC-типа В генераторах RC-типа для обеспечения заданной частоты f 0 синусои- дальных колебаний используют различные RC-цепи, имеющий наибольший коэффициент передачи на резонансной частоте f 0 . При этом f 0 определяется: f 0 = 1/(2πRC) (3.1) U вых Усилитель К Цепь ПОС γ ИП Для создания генераторов низкой частоты обычно используют ИОУ, в качестве цепи ПОС у которых устанавливают RC-цепи. На рисунке 3.2 приведена схема сину- соидального генератора. Для выполнения баланса фаз необходимо, чтобы в усилителе сдвиг по фазе был φ = 0, а для выполнения баланса амплитуд необходимо установить коэффициент усилителя К = 1/γ = 3. Для обеспечения сдвига по фазе φ = 0, цепь ПОС подключена между выходом усилителя и его неинвертирующим входом. Необходи- мый коэффициент усиления задаётся с по- мощью цепи ООС на резисторах R1, R2. Рисунок 3.2 – RC-генератор При упрощенном расчете RC-генератора для заданного значения частоты колебаний f 0 из уравнения (3.1) опреде- ляют τ = RC, затем задаются стандартным значением С (или R), определяют величину R = τ /С (или С) и выбирают ближайшее стандартное значение R (или С). Обычно величину R выбирают в пределах нескольких единиц или десятков кОм. Расчет сопротивлений резисторов R1 и R2 осуществляют на основе ра- венства К = 1 + R2/R1 для неинвертиругощего усилителя. Так как К = 3, то отношение R2/R1 = 2. Задаваясь R1 (единицы-десятки кОм), определяют R2. При таком соотношении амплитуда выходного напряжения принимает максимальное значение (при значении U п = 15В примерно U нас = 13В). Мультивибраторы Мультивибраторы - это генераторы сигналов прямоугольной формы. На рисунке 3.3 приведена схема сим- метричного мультивибратора на ИОУ, ши- роко используемого в импульсных устройствах. Симметричный – время им- пульса равно времени паузы t имп = t паузы ИОУ охвачен положительной обратной связью – цепь R1,R2 с коэффициентом пе- редачи γ, действующей одинаково на всех частотах. Входное напряжение мультивиб- ратора формируется при помощи ООС че- рез цепочку RC. Рисунок 3.3 – Мультивибратор Напряжение на неинвертирующем входе постоянно и равно ±U н = γU вых = γ±U нас (3.2) Если напряжение выхода U вых = +U нас конденсатор заряжается и на- пряжение U с , действующее на инвертирующем входе возрастает по экспо- ненциальному закону (рисунок 3.4). При равенстве U н = U с произойдёт скачкообразное изменение выходного напряжения U вых = -U нас , что вызо- вет перезаряд конденсатора. U вых DA R1 R2 R R C C U вых DA R2 R1 C u п u с R При достижении равенства -U н = -U с снова произойдёт изменение состояние U вых Процесс повторяется. Изменение постоянной времени τ RC-цепи приводит к изменению времени заряда и разряда конден- сатора, а значит и частоты колеба- ний мультивибратора. Рисунок 3.4 – Временные диаграммы работы мультивибратора Кроме того, частота зависит от параметров ПОС и определяется по формуле: f = 1/T = 1/2t и = 1/[2 τ ln(1+2 R1/R2)] (3.3) При необходимости получить несиммет- ричные прямоугольные колебания для t и ≠ t п , используют несимметричные мультивиб- раторы (рисунок 3.5), в которых перезаряд конденсатора происходит по разным цепоч- кам с различными постоянными времени. Для перезаряда конденсатора при U вых = +U нас VD2 закрыт и τ и = R и C, а для пере- заряда конденсатора при U вых = -U нас диод VD1 закрыт и τ п = R п C. При этом длительно- сти импульса и паузы определяются: t и = τ и ln(1+2 R1/R2) (3.4) t п = τ п ln(1+2 R1/R2) (3.5) Рисунок 3.4 – Несимметричный мультивибратор Частота колебаний: f = 1/[( τ и + τ п ) ln(1+2 R1/R2)] (3.6) При расчете симметричного мультивибратора обычно известна тре- буемая частота f колебаний. Задаваясь отношением R1/R2≤0.5, из уравне- ния (3.3) определяют τ = RC. В свою очередь, задаваясь величиной С (или R), определяют R (или С). При расчете несимметричного мультивибратора обычно известны дли- тельность импульса t и и паузы t п . Тогда, определив период Т, находят час- тоту f. Из уравнений (3.4) и (3.5) определяют τ и и τ п . Задаваясь значением С, определяют R и и R п . А из заданного значения R1/R2≤0.5, определяют величину R2, задаваясь R1 (или наоборот). Значения R1, R2, R и , R п надо выбирать не менее десятка кОм. В соответствии с вариантом (таблица 3.1) выполните следующие задания: 1) Начертите схему генератора заданного варианта; U вых DA R2 R1 C R п u п u с VD2 R и VD1 2) Рассчитайте параметры элементов схемы генератора; 3) Постройте временные диаграммы работы: для RC- генератора – U вых , для мультивибратора - по аналогии с рисунком 3.4. Временные диаграммы работы строятся в масштабе по осям напряжения и времени, и синхронно во времени, т.е. друг под другом; 4) Кратко опишите работу генератора; 5) Постройте временные диаграммы, отражающие работу генератора при увеличении (для нечетного номера варианта) или при уменьшении (для четного) сопротивления резистора R в 2 раза для RC- генератора и R2 в 2 раза для мультивибратора. Проанализируйте работу генератора с изменён- ным значением сопротивления резистора. Таблица 3.1 – Варианты заданий для расчёта схемы генератора Исходные данные № вари анта |