Метрология. все ответы к теории-1. На входе линии связи называют входным сигналом, или воздействием, а сигнал
 Скачать 4.07 Mb.
|
|
28. Основные линейные устройства на ОУ. Дифференцирующий усилитель на ОУ. Интегрирующий усилитель на ОУ. Частотные фильтры электрических сигналов. Анализ устройств содержащих ОУ В большинстве случаев ОУ используется с обратными связями, которые определяют функциональное назначение устройства и его основные параметры. Дифференцирующий усилитель Дифференцирующий усилитель, это устройство, в котором входное и выходное напряжение связано соотношением (рис. ) U вых =KdU вх /dt . (7) Простейшие дифференцирующие цепи (например RC - цепь) выполняют эту операцию со значительными погрешностями, причем с повышением точности дифференцирования существенно уменьшается уровень выходного сигнала. Схема дифференцирующего усилителя на ОУ приведена на рис. Установим связь между выходными входным напряжениями этой схемы. Для узла а по первому закону Кирхгоффа можно записать, что I вх = ос + I оу Если считать, что ОУ идеальный, те. I оу =0 и U + вх =U – вх = 0, то записав токи по закону Ома (I вх = с = Сd(U вх - U – вх )/dt, а ос (U – вх - U вых )/R 2 ) получим выражение связывающее выходное и входное напряжения U вых =-R ос CdU вх /dt , (8) где R ос С= - постоянная времени дифференцирующего усилителя. Коэффициент передачи дифференцирующего усилителя определяется выражением К = U вых / U вх = j =K ( ) e j ( ) , где K ( ) = - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ); ( ) = /2 - фазово- частотная характеристика (ФЧХ) коэффициента передачи. 9.6.7. Интегрирующий усилитель Это устройство, в котором входное и выходное напряжение связано соотношением U dt вых вх Простейшим интегрирующим цепям (например RC - цепям) аналогичны недостатки предыдущего устройства. Схема интегрирующего усилителя на ОУ приведена на рис. Установим связь между выходными входным напряжениями этой схемы. Для узла а по первому закону Кирхгоффа можно записать, что I вх = ос + I оу Если считать, что ОУ идеальный, те. I оу =0 и U + вх =U – вх = 0, то, записав токи по закону Ома (I вх =(U вх - U – вх )/R 2 , а ос с = Сd(U – вх - U вых )/dt) получим выражение связывающее выходное и входное напряжения U RC U dt вых вх t ( ) 1 0 , где С - постоянная времени интегрирующего усилителя. Коэффициент передачи интегрирующего усилителя определяется выражением К = U вых / U вх = (j ) -1 =K ( ) e j ( ) , где K ( ) =( ) -1 - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ); ( ) =- /2 - фазово-частотная характеристика (ФЧХ) коэффициента передачи интегрирующего усилителя. 29. Устройства на ОУ с нелинейной ОС. Логарифматор, антилогарифматор. Компараторы напряжений. Компараторы напряжения Компараторы напряжений — это устройства, которые предназначены для сравнения двух сигналов. Они имеют два входы. Один из входов предназначен для подачи исследуемого сигнала U x , а другой для подачи опорного напряжения U оп В момент времени, когда исследуемый сигнал U x сравнивается с пороговым напряжением пор, который зависит от величины опорного напряжения U оп =F(U пор ), компаратор изменяет свое состояние. Состояние компаратора определяется величиной выходного напряжения, которое может принимать два значения U вых =U 0 вых или U 1 вых Работу компаратора обычно характеризуют аналитически, в виде неравенств или амплитудной характеристикой. Компаратор с такой характеристикой называется неинвертирующим. На рис. приведен инвертирующий компаратор. В качестве компараторов обычно используют операционные усилители. Входные (U вх+ , U вх -) и выходное (U вых ) напряжения ОУ связаны соотношением U вых = К оу (U вх+ - U вх -) , (1) где К оу - коэффициент усиления операционного усилителя. В связи стем, что К оу достаточно велик (10 5 — 10 6 ),. линейный режим имеет место только при малых входных сигналах, когда диапазон входных не превышает долей или единиц милливольта. При отсутствии отрицательной обратной связи или при введении положительной обратной связи схемы на ОУ обладают нелинейными свойствами и выполняют функции компараторов, генераторов сигналов и т. п. При достаточно больших значениях входного дифференциального напряжения имеет место режим ограничения выходного напряжения, те Uвых = U 1 вых ≈ Е п + sign U вх+ , при U вх+ > U вх -, (1.1) U 0 вых ≈ Е п ¯ sign U вх+ , при U вх+ < U вх -, Итак, благодаря большому коэффициенту усиления ОУ имеют амплитудную характеристику аналогичную характеристике компаратора. Основные параметры компаратора аналогичны параметрам ОУ, но имеются и специфические зона неопределенности 2ΔЕ=Е п /К оу - это такое изменение исследуемого напряжения вблизи порога срабатывания, при котором компаратор не принимает ни одного из своих стационарных состояний. Параметры, характеризующие качество компараторов, можно разделить натри группы точностные, динамические и эксплуатационные. Компаратор характеризуется теми же точностными параметрами, что и ОУ. Основным динамическим параметром компаратора является время переключения t п. Это промежуток времени от начала сравнения до момента, когда выходное напряжение компаратора достигает противоположного логического уровня. Время переключения замеряется при постоянном опорном напряжении, подаваемом на один из входов компаратора и скачке входного напряжения U вх , подаваемого на другой вход. Время переключения компаратора t п можно разбить на две составляющие время задержки t з и время нарастания до порога срабатывания логической схемы t н Выходные каскады компараторов обычно обладают большей гибкостью, чем выходные каскады операционных усилителей. В обычном ОУ используют двухтактный выходной каскад, который обеспечивает размах напряжения в пределах между значениями напряжения питания В выходном каскаде компаратора эмиттер, как правило, заземлен, и выходной сигнал снимается с "открытого коллектора. Две основные схемы включения компараторов такого типа приведены на рис. На риса выходной транзистор компаратора включен по схеме с общим эмиттером. При потенциале на верхнем выводе резистора равном +5 В к выходу можно подключать входы ТТL, nМОП- и КМОП- логику с питанием от источника 5 В. Для управления КМОП-логикой с более высоким напряжением питания следует верхний вывод резистора подключить к источнику питания данной цифровой микросхемы. Если требуется изменение выходного напряжения компаратора в пределах от U + пит допит, выходной каскад включается по схеме эмиттерного повторителя (рис. б. При этом заметно снижается быстродействие компаратора и происходит инверсия его входов. Рис. 5. Схемы включения выходного каскада компаратора 521СА3. Выходной сигнал компаратора почти всегда действует на входы логических цепей и потому согласуется по уровню и мощности сих входами. Таким образом, компаратор - это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам, поэтому его иногда называют однобитным аналого-цифровым преобразователем. 30. Ключи на биполярных транзисторах. Статический режим работы. Основные параметры и передаточная характеристика. Переходной (динамический) режим работы. Схема транзисторного ключа с ускоряющей емкостью. Ненасыщенный ключ. Транзисторные ключи — это устройства, которые коммутируют (замыкают или размыкают) электрическую цепь с помощью управляющего входного сигнала. Ключи имеют два состояния в статике замкнутое и разомкнутое. Ключи на биполярных транзисторах делятся на насыщенные и ненасыщенные. При анализе транзисторных ключей рассматривают два режима — статический и динамический. В статическом режиме анализируется закрытое и открытое состояние ключа. В закрытом состоянии ключа на его входе низкий уровень напряжения (сигнал логического нуля, при котором оба перехода смещены в обратном направлении (режим отсечки. При этом коллекторный ток определяется только тепловым током. Динамический режим работы ключа Переходные процессы в ключах на биполярных транзисторах определяются следующими причинами. 1. Наличием емкостей эмиттерного и коллекторного переходов. При переключениях происходит заряди разряд этих емкостей. 2. Накоплением и рассасыванием неосновных носителей в базе при переходе транзистора в режимы насыщения и отсечки. Ненасыщенные транзисторные ключи на биполярных транзисторах имеют повышенное быстродействие и уменьшенное время рассасывания. Основное назначение таких ключей состоит в том, чтобы создать на выходе напряжение, близкое к нулю, или напряжение, близкое к напряжению источника питания. Кроме достоинств, следует иметь ввиду и следующие недостатки ненасыщенных ключей ● повышенное напряжение на открытом ключе ● пониженная помехоустойчивость ● пониженная температурная стабильность. 31. Генераторы электрических сигналов. Баланс амплитуд. Баланс фаз. LC – генераторы. Генераторы электрических сигналов - это устройства, которые преобразуют электрическую энергию постоянного тока в энергию электрических сигналов той или иной формы. Названия генераторам дают в соответствии с формой сигнала, который они вырабатывают. В зависимости от способов создания сигналов генераторы подразделяют А) Генераторы с самовозбуждением, их называют автогенераторы. Это устройства которые автономно преобразуют энергии источника питания в энергию сигналов требуемой формы. Б) Генераторы с внешним возбуждением, это, фактически, усилитель мощности. В зависимости от элементов, определяющих частоту автогенератора, генераторы бывают 1. типа 2. типа 3. кварцевые генераторы (высокая стабильность частоты. По принципу построения автогенераторы подразделяются С внешней обратной связью. С внутренней обратной связью. Условие стационарных автоколебаний, те. автоколебаний с постоянной амплитудой а) β(ω) =1 Последнее соотношение разбивается на два K(ω,аст) β(ω)=1 - баланс амплитуд БА φk(ω)+φB(ω)=2πn, n=1,2,… - баланс фаз БФ Обычно, цепь положительной ОС состоит из пассивных элементов, а потому β(ω)<1, а потому баланс амплитуд означает, что для стационарных автоколебаний энергия (амплитуда, теряемая вцепи обратной связи должна восстанавливаться усилителем. Только в этом случаев генераторе возможны колебания с постоянной (стационарной) амплитудой аст. Баланс фаз означает, что для того, чтобы устройство было генератором необходима положительная обратная связь. генератор Основы генератора составляет резонансный усилитель с колебательным контуром к кв коллекторной цепи. Резисторы R1 и R2 задают рабочую точку транзистора на линейном участке, здесь наибольший коэффициент усиления. Катушка индуктивности контура к индуктивно связана с катушкой индуктивности вцепи базы связи (ее называют катушкой связи. За счет нее часть энергии колебательного контура передается в цепь базы транзистора. Для того чтобы это устройство было генератором, необходимо чтобы к и связи были включены встречно, что дает фазовый сдвиг цепи обратной связи равный π. 32. Генераторы гармонических колебаний RC – типа. Мультивибратор на ОУ. Мультивибратор (генератор прямоугольных импульсов) - содержит две цепи обратной связи Цепь положительной обратной связи, образованна элементами R1 и R2. Она частотно независимая. Цепь отрицательной обратной связи, образованна элементами R и C. Она частотно зависимая. По отношению к напряжению на инвертирующем входе U–ВХ схема работает, как компаратор с положительной обратной связью, то есть переключается, когда напряжение напряжению на инвертирующем входе U–ВХ достигает величины напряжения на неинвертирующем входе U+вх, которое может принимать два значения Uпв, Uпн: 2 1 1 R R R E U П ПВ -верхний порог срабатывания 2 1 1 R R R E U П ПН - нижний порог срабатывания. Источники питания с силовым трансформатором. Структурная схема. Выпрямители и сглаживающие фильтры. Основные параметры. Источником питания называют устройство, которое предназначено для снабжения электрических схем электроэнергией. Обычно, для питания электрических схем требуется постоянное стабилизированное напряжение. Именно от стабильности напряжения питания зависит точность и надежность работы электрических схем. Структурная схема источника питания. Первичным источником электроэнергии является переменное напряжение В, Гц. 1) SW – выключатель питания, рассчитывается на ток, превышающий ток нагрузки враз) С – конденсатор, включенный параллельно выключателю, предназначен для защиты контактов выключателя от обгорания в момент выключения. 3) Стабилизатор переменного напряжения – предназначен для стабилизации амплитуды переменного напряжения. Он уменьшает изменение амплитуды переменного напряжения ПИЭЭ и тем самым улучшает работу следующих за ним блоков. 4) Силовой трансформатор – преобразует амплитуду переменного напряжение до необходимой величины и обеспечивает гальваническую развязку между первичным источником электрической энергии и нагрузкой. Трансформатор выбирается из противоречивых условий обеспечение максимального тока в нагрузке, минимальных потерь и геометрических размеров. Для снижения размеров и веса трансформатора питающее напряжение 50 Гц преобразуют в переменное напряжение высокой частоты. При работе трансформатора на высоких частотах его необходимо экранировать металлическим кожухом. Если требуется получить несколько разных напряжений, то вторичная обмотка транзистора может состоять из нескольких обмоток. Выпрямитель осуществляет преобразование переменного напряжения в выпрямленное (постоянное по знаку ). Сглаживающий фильтр предназначен для снижения пульсации выпрямленного напряжения. Стабилизатор постоянного напряжения - служит для поддержания постоянного напряжения на заданном уровне, при изменении сопротивления нагрузки или амплитуды питающего напряжения. 10. Нагрузка – потребитель электрической энергии. 11. Защита – отключает напряжение на нагрузке, если ток нагрузки больше допустимой величины I нагр >I н max или напряжение на нагрузки больше допустимого U нагр >U н Основной характеристикой источника питания является его внешняя, выходная характеристика или нагрузочная характеристика - U вых =f (I вых ). Идеальный источник питания имеет 0 ВЫХ R Реально выходное сопротивление рассчитывается из выражения вых вых вых I U R 12.2. Выпрямители Рассмотрим выпрямители переменного напряжения. Основные параметры 1. Постоянная составляющая выпрямленного напряжения T dt t U T U ) ( 1 0 2. Коэффициент пульсации К пл =U m1 /U 0 , где U m1 - амплитуда первой гармоники напряжения пульсаций. У идеального выпрямителя коэффициент пульсации равен нулю, но такого не существует. В зависимости от числа полупериодов используемых при выпрямлении различают следующие выпрямители 1. Однофазный однополупериодный выпрямитель (рис. ). Принцип его работы основан на односторонней проводимости диода VD. Среднее значение напряжения за период при однополупериодном выпрямлении составляет m m m U U π U U 1 1 1 0 318 , 0 Отсюда, коэффициент пульсаций К пл =U 1m1 /U 0 =1,57, где U 1m1 = U 1m /2, где U 1m1 - амплитуда первой гармоники переменного напряжения на нагрузке. Таким образом, коэффициент пульсаций велик, что является главным недостатком данной схемы. Диод выбирается из следующих соотношений ДОП н I I max ; m ДОП ОБР U U 1 , где ДОП – максимально допустимый ток диода, Н – максимальный ток нагрузки, U ОБР.ДОП – максимально допустимое напряжение на диоде. Такие выпрямители находят ограниченное применение в маломощных устройствах т.к. характеризуются плохим использование трансформатора (через трансформатор протекает постоянная составляющая тока, что вызывает его подмагничивание и проводит к необходимости увеличивать его габаритные размеры) и большим значение коэффициента пульсаций. 2. Двухполупериодные выпрямители. а) Двухполупериодная мостовая схема. Эту схему иногда называют однофазной мостовой. Она получила наиболее широкое распространение. Ее основу составляет диодный мост, состоящий из четырех диодов. Среднее значение напряжения за период при двухполупериодном выпрямлении составляет m m m U U π U U 1 1 1 0 636 , 0 57 , 1 Отсюда, коэффициент пульсаций К пл =U 1m1 /U 0 =0,67, где U 1m1 = U 1m /2, где U 1m1 - амплитуда первой гармоники переменного напряжения на нагрузке. Малое значение коэффициента пульсаций является преимуществом данной схемы. Диоды мостовой схемы выбирается также как в предыдущей схеме ДОП н I I max ; m ДОП ОБР U U 1 , где ДОП – максимально допустимый ток диода, Н – максимальный ток нагрузки, U ОБР.ДОП – максимально допустимое напряжение на диоде. В таком выпрямителе отсутствует подмагничивание трансформатора постоянным током – это его достоинство, а недостатком является большое число диодов, что приводит к увеличенному падению напряжения на выпрямителе. Поэтому такие выпрямители основном применяются при выпрямлении высоких напряжений (более В. б) Двухфазный двухполупериодный выпрямитель. Схема состоит из двух диодов и трансформатора со средней точкой. Диоды схемы проводят ток поочередно, каждый в течение одного полупериода. Диоды выбирается из следующих соотношений ДОП н I I max ; m ДОП ОБР U U 1 2 , где ДОП – максимально допустимый ток диода, Н – максимальный ток нагрузки, U ОБР.ДОП – максимально допустимое напряжение на диоде. Двухфазный двухполупериодный выпрямитель применяется в источниках питания с небольшим напряжениям. Он по сравнению с однофазным мостовым выпрямителем позволяет уменьшить вдвое число диодов и тем самым понизить потери напряжения на выпрямителе. Выпрямители без сглаживающих фильтров применяются сравнительно редко, лишь там, где пульсации напряжения на нагрузке несущественны. Сглаживающие фильтры Выпрямленное напряжение имеет сущенственные пульсации, поэтому для их уменьшения необходимо использовать сглаживающие фильтры. Основные параметры Коэффициент сглаживания ВЫХ m ВХ m ВЫХ ПЛ ВХ ПЛ C U U K K K 1 1 , где К ПЛ.ВХ и К ПЛ.ВЫХ – коэффициенты пульсаций на входе и выходе фильтра. В простейшем случае для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения используется конденсатор C с большей емкостью, который включается параллельно нагрузке (рис. ). Для емкостного фильтра , у которого входи выход фактически совпадают под К ПЛ.ВХ и К ПЛ.ВЫХ понимают коэффициенты пульсаций дои после подключения фильтра. На практике широко используют и следующие типы фильтров RC, RL, LC типа Г и П – образные. Наилучшее сглаживание обеспечивает П–образный фильтр. Наличие дросселя L фильтра утяжеляет конструкцию источника питания. Применяется редко. |