АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ  И СВЯЗИ

 

^{Кафедра  электроники и компьютерных технологий}

 

 

 

 

СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ  2

 

Программа,  методические  указания  и  курсовая  работа

для  студентов  специальности – 050719  Радиотехника, электроника и телекоммуникации заочной  формы  обучения 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

^{Алматы  2005}

 

 

Составитель:  Б.Б.  Ордабаев.   Схемотехника аналоговых   устройств. Программа,  методические  указания  и  курсовая  работа  для  студентов    специальности  050719  -  Радиотехника,  электроника  и  телекоммуникации заочной  формы  обучения.  –  Алматы:  АИЭС,  2005. - 27 с.

 

 

 

 

 

 

       В  методических  указаниях  к  изучению  курса  схемотехники  аналоговых    устройств  обращается  внимание  на  наиболее  важные  вопросы  отдельных  тем,  приведены  варианты  заданий  курсовой  работы, а также рекомендации  по  расчёту  схем, входящих в  задания  на курсовую  работу.

        Методические  указания  и  курсовая  работа  предназначены  для  студентов  заочной  формы  обучения  специальности  050719.       

 

 

 

        Табл.   4,  библиогр.   13  назв.

 

 

 

 

 

        Рецензент:  канд.  техн.  наук,  доц.  Б.М. Шайхин.

 

 

 

 

 

        Печатается  по  плану  издания  Алматинского  института  энергетики  и  связи  на  2005  г. 

 

 

 

 

 

 

                                     

                               ã   Алматинский  институт  энергетики и  связи,  2005  г. 

           Введение

 

             Объём   курса:   3 кредита  –  135 часов    (аудиторных  36 часов,  из них:

лекций  12 часов, лабораторных  12 часов, практических  12 часов, дистанционного  обучения   15  часов),   курсовая работа.

           Разработка  современных  промышленных  электронных   устройств   требует  знаний  в  таких областях,  как  получение  информации  о  значениях   контролируемы  параметров, передача    информации   на  управляющую  систему,  методы  и  устройства  обработки  информации.

          Задачей  изучения  дисциплины  «Схемотехника аналоговых устройств» (САУ)   является  ознакомление  будущих   специалистов  с  методами   обработки  аналоговой  информации,  с  принципами  действия  различных     устройств  обработки  аналоговых  сигналов,  с  типовыми   схемотехническими  решениями  и  особенностями  разработки  аналоговой  электронной  аппаратуры.  В  результате  изучения   дисциплины   студенты  должны  приобрести   теоретические  знания  и практические  навыки  по  разработке аналоговых   устройств,  умение  использовать  типовые  схемотехнические   решения   на  основе  операционных   усилителей  и  других  микроэлектронных  устройств, а также  и  ориентирование  в  элементной   базе  как  российского  производства,  так  и   стран   дальнего  зарубежья.  

          Дисциплина  САУ   базируется  на  курсах  математики,  физики,  теории   электрических  цепей   и  курса   электронных  приборов  и  микроэлектроники.  Курс  САУ  создаёт  в  свою  очередь   основу  для  изучения  последующих  дисциплин   схемотехнического  цикла:  микросхемотехника,  ЦУ  и  ОВТ,  а  также  для  выполнения    студентами  дипломных  проектов.

          Дисциплина   САУ  изучается  в  десятом   семестре   согласно   учебному

плану.  В  этом  же  семестре  по  результатам  выполнения  курсовой  работы  принимается  зачёт,  с  целью  контроля  знаний  по  данному  курсу.

          В  качестве  основного  метода   при  изучении   курса  САУ    рекомендуется  самостоятельная  работа  с  учебниками  (их  список  приведён  в  конце  программы),  выполнение  курсовой  работы.  В  случае,  если  указанные  в  списке  книги  недоступны,  можно  пользоваться  и  другими  источниками  при  наличии  в  них  разделов,  которые  перечислены   в  предлагаемой  ниже  программе.

 

1         Программа  дисциплины  «Схемотехника аналоговых устройств»

 

1.1     Содержание  дисциплины

1.1.1      Вводная  часть

         Понятие об аналоговой  и  дискретной  формах  электрических  сигналов. Область   применения  устройств  обработки  аналоговых   сигналов   на  ОУ,  их  достоинства  и   недостатки  в  сравнении  с  устройствами  обработки цифровых   сигналов.  Основные   функции  аналоговой   обработки   сигналов:

усиление,  сравнение,  ограничение,  перемножение,  частотная  фильтрация.

 

Микроэлектронные  аналоговые  устройства.  Принципы  построения и  область  их  применения.  Разнообразие  микроэлектронных  аналоговых  устройств.

1.1.2       Операционные  усилители

        Устройство  операционных  усилителей  (ОУ). Структурная  и  электрическая  схема  ОУ.  Основные  параметры  ОУ и  их  температурные  зависимости. Частотные  свойства  ОУ.  Цепи  коррекции  ОУ.  Показатели  неидеальности  ОУ.  Балансировка  ОУ.  Обратная  связь (ОС)  в  схемах  с  ОУ,  зависимость  выполняемой  схемой  функции  от  видов  сопротивления  в  цепи  ОС:  линейное,  нелинейное,  частотно-зависимое  и  т.д.  Ограничения  по  уровням  входных  и  выходных  сигналов,  питающим  напряжениям.

1.1.3       Устройства  обработки  сигналов  на ОУ

        Усилители  инвертирующие,  неинвертирующие  и  дифференциальные. Повторители  сигналов. Усилители  переменного  напряжения.  Основные  показатели  усилителей: коэффициент  усиления,  входное  и  выходное  сопротивления.  Сумматоры  и  вычитатели,  масштабирующие  коэффициенты  слагаемых.   Логарифматоры  и  антилогарифматоры,  уровни  их входных  и  выходных  сигналов.  Прецизионные  выпрямители  и  нелинейные  функциональные  преобразователи. Перемножители  двух  сигналов,  различные  принципы  их  действия.  Схемы деления  двух  аналоговых  напряжений,  способы  их  осуществления. Интеграторы  и  дифференциаторы   сигналов.  Активные  частотные  RC- фильтры   (АRC- фильтры),  их  виды.

         1.1.4   Преобразователи  видов  сигналов

         Область  использования преобразователей  аналоговых  сигналов  из  одного  вида  в  другой.  Преобразователи  напряжения  в  ток  (ПНТ)    и   тока  в  напряжение  (ПТН).  Преобразователи  напряжения  в  частоту  (ПНЧ)  и  частоты  в  напряжение  (ПЧН),  их  использование  для  аналого- цифрового  и  цифро-аналогового  преобразований.  Преобразователи  сопротивления  в  напряжение  (ПСН),  применение  их  в  системах  контроля  и  управления  с  датчиками  сопротивления.

1.1.5      Компараторы,  ключи  и  генераторы  электрических  сигналов

         Области  применения  генераторов  электрических  сигналов, ключей  и   компараторов.  Их  основные  характеристики.  Триггер  Шмитта.  Двухпороговые  компараторы.  Использование  компараторов  в схемах  релаксационных  генераторов.  Релаксационные  генераторы  на  ОУ:  мультивибраторы  (МВ),  генераторы  линейно  изменяющегося  напряжения  (ГЛИН) и генераторы сигналов треугольной формы.  Устройство  с  аналоговыми  и дискретными   узлами  (интегральный таймер), его  использование.  Генераторы  синусоидальных  колебаний  типа  RC,  их  основные  качественные  показатели.

 

       1.2   Примерный  перечень  лабораторных  работ        

       1.2.1    Исследование    инвертирующего,    неинвертирующего    и

 дифференциального   усилителей.

          1.2.2 Исследование   дифференцирующего  и  интегрирующего  усилителей.

1.2.3          Исследование  логарифматоров  и  антилогарифматоров.

1.2.4    Исследование  прецизионных  выпрямителей,   перемножителей

и  делителей  сигналов.

          1.2.5    Исследование  компараторов  и  релаксационных генераторов.

         

           1.3    Темы  практических  занятий

           1.3.1 Структурная  и  электрическая  схемы  ОУ,  амплитудно-частотные  характеристики,  цепи  коррекции,  балансировка  ОУ.

           1.3.2 Основное  уравнение  ОУ, усилители  неинвертирующий и инвертирующий,  повторители,  их параметры,  сумматоры  и вычитатели.

1.3.3      Схемы  на  ОУ с  нелинейными  ОС,  соотношения  вход-выход. 

1.3.4      Схемы  на  ОУ  с   частотно-зависимыми  ОС,  их  расчёт.

1.3.5      Преобразователи  видов  сигналов,  их  расчёт.

1.3.6      Компараторы  и  релаксационные  генераторы  на  ОУ. 

 

          1.4  Список  литературы

 

          Основная

          1.  Опадчий Ю.Ф. и др.  Аналоговая и цифровая электроника   (Полный  курс). – М.: Горячая линия – Телеком, 2002. – 768 с.

          2.   Бойко В.И. и др.  Схемотехника  электронных  систем. Аналоговые и импульсные устройства.- СПб.: БХВ-Петербург, 2004. – 496 с.

          3.  Гутников  В.С.  Интегральная  электроника  в измерительных устройствах.- Л.: Энергоатомиздат, 1988, - 304 с.

          4.  Фолкенберри Л.  Применения  операционных усилителей  и  линейных  ИС:  Пер. с англ. – М.: Мир, 1985. – 572 с.

 

           Дополнительная       

          5.  Нестеренко Б.К.  Интегральные  операционные  усилители: Справочное  пособие по применению. М.: Энергоиздат, 1982. – 128 с.

          6.  Гусев В.Г., Гусев М.Ю. Электроника. -М.: Высшая  школа, 1991.-622с.

          7.  Прянишников В.А. Электроника  (конспект лекции). -  СПб. 1998.

8.  Быстров Ю.А., Мирожко И.Г. Электронные  цепи  и  устройства. -М.:

Высшая  школа 1989, - 287 с.

          9. Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. - М.: Радио и связь, 1985,- 256 с.

 

Справочная

10. Интегральные микросхемы. Операционные усилители и компараторы: Справочник  Т.12. – М. ДОДЕКА, 2002.- 362 с.

11.   Цифровые и аналоговые  интегральные  микросхемы: Справочник /

Под ред. С.В. Якубовского.- М.: Радио и связь, 1992.- 432 с.

12.   ГОСТ 2.702-75/ Правила  выполнения  электронных  схем.

13.   ГОСТ 2.728-74/ СТ СЭВ 863-78/ Резисторы и конденсаторы.

 

2  Методические указания, вопросы для самопроверки к разделам курса

 

2.1     Методические  указания  к разделам  1.1.1.  и  1.1.2

          Обработка  информации  может выполняться  двумя  методами:  аналоговым,  при  котором  участвующие  в  обработке  величины  представлены  в виде  непрерывного   напряжения  или  тока,  и  цифровым,  при  котором  величины  представлены  в  цифровой  форме.  Необходимо  обратить  внимание  на  различия  между устройствами  аналоговой  и  цифровой  обработки  сигналов.  Аналоговые  устройства  обрабатывают  сигналы   непрерывно  во времени и, как правило,  без  использования  запоминающих  устройств, и  поэтому   время  запаздывания  выходных   сигналов  относительно   входных получается  минимальным. Это  свойство аналоговых  устройств  является их  преимуществом. Цифровые  же  устройства  производят  обработку  информации  с  использованием  запоминающих  устройств  и  обычно имеют  место  более  значительные  времена  запаздывания  выходных  сигналов  относительно  входных.  Общим  недостатком   аналоговых  устройств  является  зависимость  их  характеристик  от  температуры, что  служит  причиной  низкой  точности  обработки  по  сравнению  с  цифровыми  устройствами.    Нужно  чётко  представлять  области   использования   аналоговых  и  цифровых  устройств  и   выбирать  между  теми   и  другими  в  зависимости от  условий  конкретной  задачи.

          Подобно  тому  как  в  цифровой  технике  многообразие  логических  функций  и  схем  сводится  к   небольшому   числу  основных  логических   функций,  так  и    аналоговой  технике  всё разнообразие  реализуемых  функций  можно  свести  к  сочетаниям  основных  аналоговых  функций.  К  ним  относятся:   усиление,  сравнение,  ограничение,  перемножение,  частотная  фильтрация.  Надо  иметь  в  виду,  что  все  перечисленные  основные  аналоговые  функции  воплощены  в  виде  аналоговых  интегральных  схем  (ИС),  получивших  массовое  распространение  в  микросхемотехнике.     

         Такие  аналоговые   функции,   как  усиление,   сравнение,   перемножение,  соответствуют  широко распространённым  интегральным  схемам, которые их  реализуют.  Например,  функцию  усиления  реализуют  ИС  разнообразных  усилителей  –  от   звуковых   и  ОУ  до  широкополосных    и   радиочастотных. Функцию  сравнения  реализуют  ИС  компараторов  напряжений   и  ОУ.  Функцию  перемножения  осуществляют  ИС  перемножителей,  аналоговые  коммутаторы.  Функцию  ограничения  можно  реализовать  на  многих  аналоговых  ИС,  для  этого  в  схемы  с  ИС  включают    различные     нелинейные    компоненты  :  диоды,       транзисторы,

 стабилитроны.   Функция  частотной   фильтрации  реализуется  в  сочетании с

 функцией   усиления   и   с   использованием   частотно-зависимых   элементов, 

обычно конденсаторов. 

          Номенклатура  аналоговых  ИС   чрезвычайно   обширна,   начиная   от простейших  усилительных  каскадов  до  больших  ИС,  как,  например,   радиоприёмник   или   другая   специализированнная   ИС.  Но   подобные  ИС  могут  быть  использованы    только  по  прямому  назначению,  в  то  же  время   в  технике  требуется  решение  бесчисленных  задач,  требующих  разработки  не  существовавших  прежде  электронных  схем.  В таких  случаях могут  помочь  универсальные  устройства,  с  использованием  которых  можно  реализовать любую  сложную  аналоговую  функцию.  Таким    универсальным   устройством   является    ОУ,   поэтому   на   схемах   с  его  применением   базируется   изучение  материала  курса  АЭУ  [ 1, с. 272…287],  [3,с. 5…11],  [5,с. 6…14].

          Приступая  к  изучению  ОУ,  необходимо  ясно  представлять  схему  и принцип  работы  дифференциального  усилителя  ДУ,  изученного  в  первой части  курса  АЭУ.  Нужно  чётко   понимать,  на  чём   основано  главное  отличительное  свойство  ДУ – подавление  синфазного  сигнала  (синфазной  помехи)  на  симметричном  выходе.  Не  надо  забывать  также  и  о  том,  что  степень  подавления  синфазного  сигнала  повышается, если  в  качестве  эмиттерного  сопротивления  транзисторов ДУ использовать   схему  стабилизатора  тока.

          Структурная  схема  ОУ  состоит  из  трёх  каскадов:  входного,  согласующего  и  выходного.  В  качестве  входного  каскада  ОУ используется  ДУ,  который  в  основном  и  определяет  коэффициент  усиления   ОУ.  Согласующий   каскад  служит  для  преобразования  симметричного  выходного  сигнала  ДУ,  снимаемого  между   его   коллекторами,  в  обыкновенный  несимметричный  сигнал,  снимаемый  относительно  общего  провода.  Выходной  каскад    предназначен  для  придания  ОУ  низкого  выходного  сопротивления  и  строится  обычно  в  виде  двухтактного  комплементарного  эмиттерного   повторителя.  Следует  изучить   электрические   схемы   отдельных  каскадов  ОУ  в  их  упрощённом  виде.

         Нужно  твёрдо  помнить,  в  чём главные  отличия  ОУ  от    усилителей других типов:  а) ОУ  имеет  два  входа для сигналов, тогда  как  обыкновенный  усилитель   имеет  один  вход,  б) один  из  входов  ОУ инверсный,  а  другой – неинверсный  (прямой).  Повышение  потенциала  на  инверсном  входе  вызывает  понижение  потенциала  на  выходе  ОУ,  а  повышение  потенциала  на  неинверсном  входе  вызывает  повышение  потенциала  на  выходе  ОУ. 

         В  целях  удобства  стыковки  аналоговых  устройств  желательно,  чтобы  на  выходе  ОУ  сигнал  был  бы  равен  нулю  при  отсутствии  сигналов  на  входах. Для этого  ОУ запитывают  от двухполярного  источника, а средний вывод этого источника является общим проводом для входных  сигналов  и   для  выходного  сигнала.

         Электрическая  схема ОУ не содержит межкаскадных разделительных конденсаторов, поэтому амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) начинается  с  нулевой частоты,  то есть ОУ является  усилителем  постоянного

тока  (УПТ).

          Очень важно знать, что  анализ схем  с ОУ  ведётся при допущении того, что ОУ обладает следующими идеальными электрическими параметрами, а именно:

          -  бесконечно  большой   коэффициент   усиления  напряжения;

          -  бесконечно  большое  входное  сопротивление;

          -  нулевое  выходное  сопротивление;

          -  бесконечно  широкая  АЧХ.

Соответствующие  параметры  современных   ОУ  имеют  значения, которые весьма  приближают  их  к  идеальным  ОУ.  Нужно  иметь  в  виду,  что  параметры  ОУ,  как  и  любого  полупроводникового  прибора,  зависят  от температуры,  а  величины  параметров,  приводимые  в  справочниках,  даются  при  нормальной  температуре  20°С.  Необходимо  разобраться  с  приводимыми  в  справочниках  параметрами,  а также и показателями  неидеальности  ОУ,  которые будут  использоваться  при  решении  контрольного  задания.

          Говоря  о  частотных  свойствах  реальных  ОУ,  надо  уяснить,  что  электрические  ёмкости   р-п  переходов  и  паразитные  ёмкости  приводят   к  спаду  АЧХ  с  повышением  частоты  со  скоростью  20 дБ/дек.  Большие  коэффициенты  усиления  ОУ  и  наличие  паразитных  связей  в микросхеме вызывают  появление  внутренней  положительной  ОС  и,  как следствие,  -  возбуждение  ОУ,  то  есть  генерирование паразитных  колебаний,  часто  с  большой  амплитудой,  приближенной  к  напряжениям  питания.  Для  предотвращения  возбуждения  ОУ  оборудуют  цепями  коррекции:  либо  внутренними  в  самой схеме  ОУ, это  характерно  для  современных  ОУ,  либо внешними   (навесными) RC – цепочками. Номинальные величины элементов цепей внешней  коррекции  приводятся  в  справочниках.

          Надо  понимать  необходимость  балансировки  ОУ,  направленной  на компенсацию   одного  из показателей  неидеальности – входного  напряжения  смещения.  Оно  приводит  к  тому,  что  на  выходе  ОУ  присутствует  не равное  нулю  выходное  напряжение при отсутствии входных  сигналов.  В  аналоговых  схемах  ОУ работают всегда с отрицательной  ОС,  иначе при её отсутствии  любой случайный,  ничтожный  по величине, шум на входе приводил бы к значительным скачкам напряжения на выходе, вследствие очень больших коэффициентов усиления  ОУ.  С другой стороны, во входной цепи ОУ тоже ставят сопротивление  с целью  снижения  погрешности усиления, вызываемой входным напряжением смещения. По сути дела все показатели аналоговой схемы с ОУ, а также и  вид реализуемой схемой функции определяются в конечном итоге соотношениями  комплексных  сопротивлений  цепи  ОС  и  входной  цепи,  это  правило  вытекает  из  несложного  анализа.  

          В  учебниках  приводится  подробный  анализ  схем  с различными  видами  сопротивлений  входной  цепи  и цепи  ОС,  причём  параметры  ОУ  считаются  идеальными.  Поскольку  входное  сопротивление  бесконечно,  ток  источника  сигнала,  того  что  подключён  к  инверсному  входу  ОУ, не  имеет

иного  пути  для  протекания,  кроме  как  через входной  резистор  и  далее  через  сопротивление  ОС,  затем  через  нагрузку  ОУ  и  на  общий  провод. Но  надо  помнить:  поскольку  усиление  ОУ  бесконечно  велико,  то  это  означает,  что  напряжение  между  входами  ОУ  бесконечно  мало, то  есть  ноль  Вольт  (реально – от единиц  мкВ  до сотен  мкВ).  Из  этих двух  обстоятельств  следует  важнейшее  свойство схем  на  ОУ, которое  нужно твёрдо  помнить:  при  подаче  сигнала  на инверсный  вход  ОУ    напряжение  на выходе  ОУ  будет,  по  сути  дела,    падением  напряжения  от  протекания  тока  источника  входного  сигнала  через  сопротивление  обратной  связи,  но взятое с  обратным  знаком.

          Изложенная  картина  протекания   входного  тока  именуется   принципом   виртуального   короткого  замыкания  входных  зажимов  ОУ.  При  виртуальном  замыкании,  как и  при  обычном  замыкании,  напряжение  между  зажимами  равно  нулю.  Но  в  отличие  от  обычного  замыкания  ток между  виртуально  замкнутыми  входами  не  течёт, то  есть  для  тока  виртуальное  замыкание  равносильно  разрыву  цепи.

          Если   во  входной   цепи    и   в   цепи     ОС  сопротивления   одного   и того  же  характера, например,  активные,  то  мы  получаем  схему  усилителя.  Коэффициент  усиления  его  будет  определяться  отношением  значений  резисторов  цепи  ОС  и  цепи  входа.  Если  используются  комбинации  активных  и  реактивных  сопротивлений,  например резисторов с конденсаторами,  то  появляется  возможность  создать  различные  частотно - зависимые  схемы:  интеграторы,  дифференциаторы,  активные  фильтры  самых  разнообразных  типов.

          Если  использовать  комбинации  активных  сопротивлений  с  нелинейными  элементами  (диоды,  транзисторы  и  др.),  то  можно  создавать  всевозможные  нелинейные  устройства:  выпрямители,  логарифмирующие схемы,  нелинейные  преобразователи  с  любого  вида  функциональной  зависимостью  выходного  напряжения  от  входного.

          Кроме  основных  эксплуатационных  параметров,  для  ОУ существуют и предельно допустимые  значения параметров, к которым относятся в числе прочих:  максимально  допустимый  выходной ток, максимально  допустимое  входное дифференциальное  напряжение, максимально  допустимое входное синфазное напряжение.  Превышения    предельных  значений  напряжений могут повлечь за  собой  значительные искажения сигналов,  а выходной ток  выше допустимого  значения  может привести  к  выходу  ОУ  из  строя.

  

          2.2  Вопросы  для  самопроверки  к  разделам  1.1.1.  и   1.1.2

 

2.2.1      Какие  существуют  способы  обработки  информации?

          2.2.2  В  каком  виде  представляется  информация  при  аналоговом способе  её  обработки?

          2.2.3  В  каком  виде  представляется  информация  при  цифровом способе  её  обработки?

          2.2.4  В  чём  заключается  главное  отличие  между  аналоговым  и  цифровым  способом  обработки  информации?

          2.2.5  В  чём  выражается  основной  недостаток  аналогового  способа                     обработки  информации  по  сравнению   с  цифровым?

          2.2.6   Какие  существуют  основные  виды  аналоговых  функций?

          2.2.7   Какие  основные  требования  предъявляются  к  ОУ?

          2.2.8 Чем  отличаются  передаточные  характеристики  ОУ  по  инвертирующему  и  неинвертирующему  входам?

          2.2.9   Какой   вид  имеет  АЧХ  стандартного  ОУ?

          2.2.10 Как  входное  напряжение  смещения влияет  на  вид передаточной  характеристики  ОУ?

          2.2.11 Какова  картина  протекания  входного  тока  ОУ?

          2.2.12 С какой целью  во  входном  каскаде  ОУ используют  дифференциальный  усилительный  каскад?

          2.2.13 Как  соотносятся  максимальное  выходное  напряжение  ОУ  и  его  напряжение  питания?

           2.2.14 Как  изменится  передаточная  характеристика  ОУ  при  работе  от  однополярного  источника  питания?

           2.2.15 Что  такое  частота  единичного  усиления  ОУ?

           2.2.16 Как,  зная  частоту  единичного  усиления ОУ  и  его  коэффициент  усиления, можно  определить полосу  пропускания  без  цепи  ОС ?

           2.2.17 С  какой  целью  в  ОУ  используют  схемы  стабилизаторов  тока и  токового  зеркала?

           2.2.18 В чём  состоит  смысл  виртуального   короткого  замыкания?

           2.2.19 С какой  целью  ОУ  оборудуют  цепями  коррекции?

           2.2.20 Какие  параметры  ОУ  характеризуют  его  неидеальность?

           2.2.21 Почему  между  входами  ОУ и  общим проводом  необходимо  включать  одинаковые  сопротивления?

 

     2.3  Методические  указания  к  разделу   1.1.3

 

          Усиление слабых  сигналов - это  один  из  распространённых  и наиболее  простых  видов  преобразования  сигналов.  В  зависимости от  того,  какое  требуется  соотношение  фаз между  входными  и  выходными сигналами, применяют  инвертирующие  либо  неинвертирующие  усилители [1, с.287…302],  [3, с.19…35]. 

          Следует   хорошо  запомнить  различия  в схемах между ними  и усвоить материал, охватывающий  основные  показатели того и другого  усилителя на ОУ: коэффициент  усиления, входное и выходное сопротивления. Необходимо изучить  инвертирующие  и  неинвертирующие повторители напряжения как  усилители  с 100%  отрицательной  ОС и их полезные качества. Надо  хорошо  себе  представлять  и  работу усилителя с дифференциальным  входом. 

          Надо обратить  внимание  на пути  протекания  токов в схемах  инвертирующих и неинвертирующих  сумматоров  напряжений  [1,с.301…305],

[4,с.107…125], проанализировать, каким образом устанавливаются  масштабирующие  коэффициенты  слагаемых.  Нужно  разобраться  в  работе  схемы  сумматора-вычитателя  и  в  необходимости  её  балансировки.

          Использование   во входной  цепи  или в цепи ОС нелинейных  элементов придаёт  схемам с  ОУ  нелинейный  вид зависимости  выходного напряжения  от  входного. Нужно  понимать,  почему   включение в цепь ОС  диода  или  транзистора  с  общей  базой  придаёт  зависимости  вход - выход инвертирующего  усилителя  вид логарифмической  функции, а включение тех же элементов  на инвертирующем входе  приводит к получению экспоненциальной  (антилогарифмической)  передаточной характеристики  [1,с.315…318], [4,с.160…171],  [5,с,71…73].   Виды  получаемых характеристик нужно связать с тем, что выходное напряжение инвертирующей схемы представляет  собой  падение напряжения на сопротивлении  ОС  от протекания  через него тока от источника  сигнала, но взятое с обратным знаком. Из этого следует, что  выходной сигнал логарифматора  не может быть большим, чем напряжение на открытом  р-п  переходе. Величина этого напряжения  для  кремниевого  диода составляет около  0,6 В.  Также  должно быть понято, что схемы  логарифматора  и  антилогарифматора могут давать выходное напряжение только одной полярности, а для  того, чтобы получить противоположную полярность, нужно подключить  р-п  переходы в обратном направлении.

          Часто возникает задача получения выпрямленного входного сигнала. Эта задача в случае низких уровней сигналов не может быть решена с помощью обыкновенных  диодных выпрямителей, так как напряжение для уверенного открывания диодов составляет, как минимум,  1,5…2 В.  Для выпрямления сигналов малых уровней  (начиная  от единиц  мВ)  применяются  схемы  выпрямителей  на  ОУ,  у  которых  в  цепях  ОС  используются  диоды [3,с.117…122], [5,с.66...68]. Необходимо различать схемы по уровню выходного  сигнала:  выпрямители среднего  значения  и  амплитудные (пиковые  детекторы) - и по типам схем выпрямители одно- и   двухполупериодные.

           В тех случаях, когда требуется получить более сложный  вид  зависимости между входным и выходным напряжениями по сравнению  с логарифмической  или  антилогарифмической, её можно создать с помощью кусочно-линейных функциональных преобразователей [1,с.318…328], [3,с.124…126], [4,с.171…176]. В электронике подобные преобразователи  используют для аппроксимации самых разнообразных зависимостей  между различными величинами.  С использованием  нелинейной  ОС  создаются  также  и  схемы ограничителей  уровня.

           Множительные  устройства  находят  широкое применение  в электронике  [3, с.126…132], [5, с. 73…76].  Из  всех множительных  схем  следует  ознакомиться с перемножителем  на основе  логарифмических  преобразователей  и с перемножителем  на  параллельно симметричных  транзисторах.  Умножение   с   помощью   логарифмических  преобразователей

производится  путём  логарифмирования  напряжений, суммирования  их логарифмов и,  наконец, потенцирования   их суммы. Если  вместо суммы  взять разность логарифмов сигналов, то  реализуется операция  деления.  Перемножители  на  параллельно симметричных транзисторах  используют  зависимость тока  коллектора транзистора  от его базо-эмиттерного  напряжения.  Современные  микросхемы умножителей – делителей  имеют возможность изменения режима путём  соединения  различным  образом  их выводов и,  кроме  того,   позволяют  регулировать  масштабы  сомножителей.

         При  аналоговой обработке  сигналов  возникает  необходимость  в интегрировании  и  в  дифференцировании сигналов [1,с.306…315], [3,с. 93…97],   [5,с. 54…57].   Выходной  сигнал  интегратора  пропорционален интегралу входного сигнала  за определённый отрезок  времени и имеет  размерность В×сек, а сигнал на выходе  дифференциатора – это первая производная от  входного сигнала  по времени  и  имеет  размерность   В/сек. Следует  ясно  представлять, что  операции дифференцирования  и  интегрирования  могут быть  осуществлены  только  при  помощи  частотно- зависимых  цепей, обычно для этого используют  RC-цепочки.  Если  в цепи  ОС  поместить  конденсатор, то RC-цепочка  образуется  резистором  на инвертирующем   входе  ОУ  и  этим  конденсатором, выходное  напряжение  ОУ будет  являться  падением  напряжения  от протекания  тока  источника  сигнала, заряжающего  конденсатор, но взятого  с обратным  знаком.  Если же  поменять  местами  конденсатор  и  резистор, то полученная  схема будет осуществлять  операцию  дифференцирования  входного сигнала  (тоже с обратным  знаком). Нужно  ознакомиться  с  АЧХ  дифференциаторов и интеграторов   и   с  их  рабочими   частотными   диапазонами.     

          Частотные  фильтры, которые  в радиотехнике  обычно изготовляют с использованием катушек  индуктивности  и  конденсаторов,  не могут быть  реализованы в микроэлектронике    из-за  того,  что  нет возможности  изготовить  катушки  в составе интегральной  схемы. Необходимо  усвоить  материал, относящийся  к  АRC- фильтрам, включающим  в себя  резисторы, конденсаторы  и  ОУ  [1, с.334…340],  [3,с.100…108],  [4,с.181…202],  [5,с.58…62].  Следует твёрдо  различать  фильтры по их частотам  пропускания  и задерживания,  а также  иметь  представление  о типах фильтров  по  виду    функций, которыми  аппроксимируются   их  АЧХ.      

                                                            

          2.4  Вопросы  для  самопроверки  к  разделу  1.1.3

 

2.4.1         Почему  коэффициент  передачи  повторителя  равен  единице?

          2.4.2  Почему  существенно  различаются  значения  входных  сопро-тивлений  инвертирующего  и  неинвертирующего усилителей?

          2.4.3  Как  соотносятся  между собой  коэффициенты  усиления  инвер-        тирующего  и   неинвертирующего усилителей?

          2.4.4 Как  установить  заданные  величины масштабирующих  коэффициентов  инвертирующего  сумматора?

           2.4.5  Покажите,  что  дифференциальный  усилитель  может  выпол- нять  операцию  вычитания  двух  чисел.

           2.4.6 Почему  схема  сумматора – вычитателя  нуждается  в  балансировке?

           2.4.7  Чем  определяется  диапазон  частот  реального  интегратора?

           2.4.8 Каким  образом  можно  уменьшить  погрешность  выходного  напряжения  реального  интегратора?

           2.4.9  Каким  образом  можно  переделать  схему  интегратора в  схему  дифференциатора?

           2.4.10 Покажите, что  при  включении  диода  в  цепь  ОС  инвертирующего  усилителя  его  выходное  напряжение  пропорционально  логарифму  от  входного  напряжения.

           2.4.11 От чего  зависят  полярности  выходного  напряжения  логарифматора  и  антилогарифматора?

           2.4.12  Каким  максимальным  по  величине  может  быть  напряжение  на  выходе  логарифматора?

           2.4.13 Почему,  в  отличие  от обыкновенных  выпрямителей  на  диодах, выпрямитель  с ОУ  работает при малых  напряжениях  сигнала, начиная  с единиц  мВ ?

          2.4.14 Покажите  пути  протекания  токов  в схемах  нелинейных  прео- бразователей    с  возрастающей  и  с  убывающей  функциями.  Как они  работают?

          2.4.15 Какие  принципы  могут  быть положены  в  основу  построения перемножителей  двух  сигналов?

          2.4.16 Объясните  работу  перемножителя, работающего  на  принципе логарифмирования  сигналов.

          2.4.17 Поясните  работу перемножителя  на  параллельно  симметричных  транзисторах.

          2.4.18 Какие  принципы  могут  быть положены  в  основу  построения схемы  деления  двух  сигналов?

          2.4.19 Почему  в  микроэлектронике  не  применяются  частотные   фильтры  сигналов с  использованием  катушек  индуктивности?

          2.4.20 Какие  бывают фильтры  по частотам  пропускания  и задерживания?

          2.4.21 Какие  бывают фильтры  по  типу используемого  аппрокси- мирующего  полинома?

 

     2.5  Методические  указания  к  разделу   1.1.4

 

     Сигналы  в электронике  могут  быть представлены  в виде различных электрических  величин: напряжение, ток, сопротивление активное  или реактивное, частота, фаза колебаний  и т.д.  Если сигнал, например, в виде напряжения, то это  означает, что  источник сигнала  представляет собой источник напряжения, то есть источник с внутренним  сопротивление  намного

меньшим,   чем   входное  сопротивление  приёмника  этого сигнала.   К   числу

таковых можно отнести, например, термопару, преобразователь Холла и т.д.  Если же сигнал  в  виде тока, то это  означает, что  источник сигнала  представляет собой источник тока, то есть источник с внутренним сопротивлением намного большим, чем  входное сопротивление  приёмника. К таковым можно причислить, например, фотоэлемент, конденсаторный преобразователь перемещения и т.д. При работе с сигналами часто  возникает задача  преобразования сигнала из  одного  вида в другой  в целях удобства их обработки.  Для этого  необходимо изучить  наиболее часто применяемые  преобразователи   сигналов:   ПНТ,  ПТН,  ПНЧ,  ПЧН,  ПСН   [1, с. 329…333],    [3, с.69…79; 269…276],  [5, с.47…49]. 

      В простейшем случае в качестве   ПНТ могут быть использованы инвертирующие или неинвертирующие усилители, если в этих усилителях включить нагрузку вместо сопротивления ОС. В таком случае ток в нагрузке  будет  определяться входным напряжением и резистором во входной цепи и не будет зависеть от сопротивления нагрузки. Но такая схема, при которой  нагрузка не соединена   с общим  проводом, (плавающая нагрузка), нежелательна, так как это влечёт неудобства при подключении к ней последующих каскадов. Более удобны схемы ПНТ, которые дают выходной ток в нагрузку, другой вывод которой соединён с общим проводом, и  таким преобразователям  следует  давать предпочтение.

     Преобразователи  ПТН предназначены для преобразования токов в напряжение. Простейший способ для этого – пропустить преобразуемый ток через резистор с известным сопротивлением. Однако при этом для увеличения чувствительности при измерении очень малых токов приходится существенно увеличивать сопротивление резистора. Это, в свою очередь, приводит к  увеличению нежелательного воздействия измерительной цепи на цепь, в которой производится измерение.  Кроме того, увеличивается инерционность цепи, вызываемая действием паразитных  ёмкостей, в частности, ёмкостью соединительной линии. Усилитель тока на основе ОУ позволяет избавиться от этих недостатков. В простейшем случае ПНТ представляет собой инвертирующий усилитель без входного резистора. Входное сопротивление такого усилителя весьма мало и практически ОУ не оказывает обратного влияния на цепь, в которой измеряется ток. Кроме этого, устраняется и влияние ёмкости соединительной линии, так как эта линия включена параллельно низкому входному сопротивлению усилителя тока, и поэтому постоянная времени  очень мала.  Нужно  знать  схемы  и  представлять  принципы  работы  ПНТ  и  ПТН.

Аналоговый  сигнал  в виде напряжения или тока сильно  подвержен  дрейфу, который вызывается прежде  всего температурной нестабильностью   полупроводниковых  компонентов схем. Весьма  действенным способом уменьшения дрейфа  является  преобразование  сигнала  напряжения  в  частотный сигнал с помощью ПНЧ. Преобразованный аналоговый сигнал представляет собой  последовательность  импульсов,  частота  которой  связана

прямой зависимостью с  величиной напряжения  сигнала.  Поскольку  в  схемах

ПНЧ обычно используют импульсные генераторы, с управляемой частотой следования импульсов, то необходимо прежде ознакомиться с работой таких генераторов. О них приводятся сведения в следующем разделе данного методического указания.  Характеристика  преобразования напряжения в частоту, как  и   характеристика любого другого  вида преобразования,  должна  быть линейной  и желательно, хотя и не обязательно, чтобы она исходила из начала   координат.  Из  великого  множества  схем  ПНЧ  желательно  изучить  современный  интегральный преобразователь, например КР1108ПП1,  который  используется  для  преобразования  в обоих  направлениях: ПНЧ  и  ПЧН. Надо  знать  его  структурную схему и  уметь  рассчитывать  значения его  навесных  компонентов  при  заданной  характеристике  преобразования. Схемы ПНЧ  удобно использовать в устройствах  аналого-цифрового преобразования. Для этого выходные импульсы ПНЧ подают на счётчик, который подсчитывает количество импульсов за фиксированный  временной отрезок и значение напряжения сигнала, таким образом, оказывается преобразованным  в  двоичный код счётчика.

 Нужно рассмотреть преобразователи ПСН, которые находят применение  в  системах контроля  и управления с резистивными первичными преобразователями измеряемых физических величин (терморезисторы, тензорезисторы, фоторезисторы и т.д.). При неизменном токе падение напряжения на резисторе пропорционально его сопротивлению. Таким образом, ПСН  можно выполнить, включая преобразуемое сопротивление в качестве нагрузки к любому из источников тока, например к тем,  что  используются    в схемах ПНТ. Затем  полученное напряжение необходимо передать при помощи буферного каскада с высоким входным сопротивлением, который не шунтировал бы   преобразуемое сопротивление. В качестве такого  буферного каскада может быть использован, например,  повторитель на ОУ. Построенные  таким путём ПСН при качественном   источнике тока обладают высокими  техническими  характеристиками. В ряде случаев к  ПСН могут предъявляться дополнительные требования, такие, как заземление  преобразуемого сопротивления, уменьшение  погрешности от сопротивлений соединительных проводов, обеспечение выходного напряжения, пропорционального приращению преобразуемого сопротивления относительно его начального значения.

Следует изучить различные варианты схем ПСН и способы устранения погрешностей преобразования.

 

          2.6  Вопросы  для  самопроверки  к  разделу  1.1.4

 

          2.6.1 Почему  в схеме с ОУ ток через резистор в цепи отрицательной ОС не зависит от его величины?

          2.6.2 Чем невыгодно подключение нагрузки к ПНТ в  цепь отрицательной  ОС  инвертирующего  усилителя на ОУ?

          2.6.3  Каким    образом    можно    модифицировать    ПНТ     на    основе

инвертирующего усилителя с тем, чтобы один из выводов нагрузки можно было бы соединять с общим проводом?

          2.6.4  Какова основная причина погрешностей  ПНТ?

          2.6.5  Каким образом можно уменьшить погрешность ПНТ?

          2.6.6 Каково назначение эталонного сопротивления во входной цепи схемы ПТН?

          2.6.7  Каково назначение ОУ в схеме  ПТН?

          2.6.8  Каким образом снижают погрешность ПТН?

          2.6.9 Какой критерий положен в  основу причисления  сигналов к различным  видам:  токовый сигнал, сигнал напряжения?

          2.6.10 Какой вид должна иметь сквозная характеристика преобразователей?

          2.6.11 С какой целью производится преобразование сигнала напряжения в частотный сигнал?

          2.6.12 На каком принципе  можно осуществить  преобразование напряжения в частоту?

          2.6.13  На каком принципе  можно осуществить преобразование частоты в напряжение?

          2.6.14  Опишите структурную схему  ПНЧ  и  ПЧН  типа  КР1108ПП1.

          2.6.15 С какой целью осуществляют преобразование сопротивления в напряжение?

          2.6.16  Какой основной вид погрешности присутствует в схемах ПСН?

          2.6.17 В каких случаях уместно применение ПСН с двухпроводной линией связи?

          2.6.18 Какие преимущества имеет схема ПСН с трёхпроводной линией связи по сравнению с ПСН с двухпроводной линией?

          2.6.19 Почему  ПСН с четырёхпроводной линией связи обеспечивает наибольшее снижение погрешностей?

          2.6.20  Каковы преимущества  мостовых  ПСН?

 

     2.7   Методические  указания  к  разделу   1.1.5

 

     Аналоговые ИС оперируют с непрерывными сигналами, а цифровые ИС – с  дискретными. Существуют и аналого-цифровые ИС, являющиеся буферными схемами, применяемыми в преобразовании аналоговых сигналов в  дискретные. Аналоговый ключ представляет собой одну из простейших разновидностей аналого-цифровых схем. Управляются ключи дискретными сигналами, а  коммутируют непрерывные  сигналы. Выполняются ИС аналоговых ключей, как  правило, на  основе МОП-транзисторов. Эти транзисторы  в данном случае удобны тем, что в открытом состоянии могут пропускать ток в обоих направлениях и цепь управления МОП-транзистора электрически изолирована от сигнальной цепи. Сопротивление канала открытого ключа составляет  десятки – сотни  Ом,  а качество закрытого ключа определяется током утечки, который лежит в диапазоне единиц – десятков  нА.

Быстродействие  ИС аналоговых ключей составляет единицы   нс.

         Другим простейшим представителем аналого-цифровых ИС является компаратор. Это устройство, которое сравнивает уровни  двух входных сигналов между собой   [1, с.349…368], [3, с.221…225], [4, с.342…347].                                                                                                     Напряжение на выходе компаратора может находиться  только на одном из двух фиксированных уровней:  на верхнем, если сигнал на неинвертирующем входе больше, чем сигнал  на  инвертирующем входе, и на нижнем – при обратном   соотношении  этих напряжений. 

     Обычный ОУ может быть применён в качестве компаратора, если его не охватывать цепью отрицательной ОС. Однако специально разработанные     компараторы имеют ряд преимуществ в сравнении с обычными  ОУ.  ИС компараторов не предназначаются для работы в режиме с отрицательной ОС, поэтому в них не обеспечивается линейность амплитудной характеристики, необходимая для работы усилительных схем. В остальном параметры компараторов почти такие же, как и для ОУ. Применяются компараторы как по прямому назначению – для сравнения двух сигналов, так и в различных схемах с положительной обратной связью: формирователях, релаксационных генераторах и т.д.

     При изучении  компараторов следует обратить внимание на временные диаграммы, поясняющие  поведение его выходного напряжения при различных соотношениях входных сигналов и при различных их полярностях. Необходимо усвоить смысл понятия  «порог срабатывания».  Регенеративная схема получается при охвате компаратора положительной  ОС. Это приводит к тому, что передаточная характеристика становится  неоднозначной, процессы срабатывания и отпускания имеют место при различных входных напряжениях, то есть  появляется гистерезис. Такие схемы обычно именуют триггерами  Шмитта.  Польза компаратора с гистерезисом  состоит  в том, что повышается надёжность сравнения сигналов в  условиях  действия  внешних  помех.

          С помощью схем на ОУ можно создавать автоколебательные генераторы сигналов различной формы  [1, с.434…438],  [3, с.108…116],  [4, с.250…259], [5,с.90…92].   Для этого необходимо выполнить условия возникновения колебаний: баланс фаз и баланс амплитуд. Баланс фаз создаётся охватом  ОУ положительной  ОС, а баланс амплитуд – коэффициентом  усиления, достаточным  для  возбуждения  схемы. Существует множество типов генераторов несинусоидальных сигналов, построенных на ОУ: прямоугольных импульсов (мультивибраторов), треугольных сигналов, импульсов пилообразной формы  (линейно-изменяющегося напряжения). Все  эти генераторы носят название релаксационных, так как в их работе имеет место  сравнительно продолжительная фаза заряда  времязадающего конденсатора (фаза релаксации), которая сменяется быстрой фазой его разряда  или  перезаряда на  другую полярность.     

          Положительная   ОС   обычно   реализуется   с   помощью    резисторного

делителя напряжения, подключаемого к неинвертирующему входу ОУ.  В цепь

 отрицательной  ОС включается  RC-цепочка, когда напряжение на конденсаторе достигает напряжения на неинвертирующем входе, выходное напряжение перебрасывается в противоположную полярность. Конденсатор начинает перезаряжаться,  и  это продолжается до момента, когда опять наступит равенство  напряжений на входах ОУ, затем цикл повторяется. Максимальная частота генерации подобных схем ограничивается скоростью нарастания выходного напряжения ОУ, которая является паспортным параметром ОУ. Следует разобраться, как связана частота колебаний генерируемого сигнала со значениями  сопротивления  и ёмкости схемы.

         Необходимо ознакомиться с работой схем, генерирующих сигналы треугольной и пилообразной формы. Треугольной формы сигнал можно получить путём интегрирования  прямоугольных  импульсов с помощью схемы  интегратора.  Линейно растущее напряжение  тоже  получают при помощи схемы интегратора, но имеющего разные постоянные времени  интегрирования  для входных напряжений  различной  полярности. Нужно  познакомиться с работой ждущего (заторможенного) мультивибратора или одновибратора, а также с управляемым генератором прямоугольных импульсов, который может быть использован в качестве  ПНЧ. 

    На ОУ строят генераторы синусоидальных колебаний  в области звуковых частот.  В отличие от релаксационных  генераторов в цепи положительной   ОС  синусоидальных генераторов  используются частотно– зависимые цепочки  с явно выраженным  максимумом  их частотной характеристики. На частотах максимумов и возникает генерация сигнала. В качестве подобных цепей  ОС  чаще  всего применяются мосты Вина, их можно перестраивать по частоте путём одновременного изменения  сопротивления двух переменных резисторов. Нужно знать, как зависит  частота  сигнала  от  значений  сопротивлений  и  ёмкостей  моста  Вина и чем определяется отклонения  формы сигнала от синусоиды  (коэффициент нелинейных искажений).

     Следует знать очень удачную   ИС,  которая имеет в своей структуре аналого-дискретные  узлы – компараторы и дискретный узел – триггер. Эта  ИС получила название  таймер, но её возможности не ограничены только лишь функцией таймера. На таймере  может быть создана схема мультивибратора,  одновибратора,  широтно-импульсного модулятора и  т.д. Нужно  разобраться в структурной схеме таймера и рассмотреть его применение в роли мультивибратора, выяснить, чем определяется частота генерации и скважность импульсов.

 

 

      2.8   Вопросы  для  самопроверки  к  разделу  1.1.5

 

           2.8.1 В  чём заключаются преимущества аналоговых ключей на МОП-транзисторах  по сравнению  с другими типами ключей?  

2.8.2      Какими параметрами определяется качество аналоговых ключей?

           2.8.3  При    каких    соотношениях    сигналов    на    входах     выходное 

напряжение компаратора имеет верхний уровень?

           2.8.4  Должна  ли быть в компараторе на ОУ цепь отрицательной ОС ?

           2.8.5 Каковы преимущества регенеративного компаратора на ОУ по сравнению с обычным, не имеющим положительной ОС ?

           2.8.6 В каком соотношении находятся пороги срабатывания и отпускания регенеративного компаратора?

           2.8.7  Какие нужны условия для возникновения автоколебаний в схеме генератора?

           2.8.8  От каких элементов схемы зависит частота следования импульсов мультивибратора?

           2.8.9  Каким образом можно перевести мультивибратор в ждущий режим и чем будет задаваться порог его запуска?

           2.8.10 Каким образом можно реализовать схему генератора сигнала треугольной формы?

           2.8.11 Каким образом можно реализовать схему генератора сигнала пилообразной  формы?

           2.8.12 В чём заключается принцип действия всех релаксационных генераторов?

           2.8.13 Как осуществляется управление частотой мультивибратора воздействием входного напряжения?

           2.8.14  В чём отличие генераторов синусоидального сигнала на ОУ от релаксационных генераторов?

           2.8.15 Какими элементами схемы определяется частота генерации синусоидального генератора с мостом Вина?

           2.8.16 От чего зависит коэффициент нелинейных искажений сигнала, выдаваемого генератором с мостом Вина?

           2.8.17 Какие основные узлы содержит структурная схема интегрального  таймера?

           2.8.18 Как соотносятся между собой пороги  верхнего  и нижнего компараторов интегрального  таймера?

          2.8.19 Чем отличаются друг от друга верхний  и нижний компараторы интегрального  таймера?

          2.8.20 Каким образом задаётся частота следования импульсов мультивибратора на интегральном  таймере?

          2.8.21 Каким образом задаётся скважность импульсов мультивибратора на интегральном  таймере?

 

 

          3   Задание для  курсовой  работы

           Курсовая  работа  включает  в  себя  3  задания:

           а)  ответы на четыре вопроса из разных разделов курса;

           б)  расчёт активного фильтра нижних частот;

           в)  расчёт измерителя электрической мощности.

           Прежде,  чем   приступить   к   выполнению   заданий   курсовой  работы,

необходимо точно выяснить свой вариант, выбор которого производят в соответствии с первой буквой фамилии студента, первой и последними цифрами номера зачётной книжки  (шифра).

  Первая  буква  фамилии  студента  шифруется  цифрой  по таблице  3.1.

Таблица   3.1 – Шифр  фамилии

А,Д	В,Г,Я	Б,Е	Ж,З,И,Л	К,Ч	М,О	Н,П,Э	Р,Т,УФ	С,Ю	Х,У,Ш,Щ
1	2	3	4	5	6	7	8	9	0

3.1 Правила выполнения и оформления курсовой работы

 

          3.1.1  К выполнению курсовой работы можно приступать после  того, как изучен необходимый теоретический материал по рекомендованным литературным источникам.

          3.1.2   При работе над заданиями следует  сначала  записывать формулы в общем виде и подробно объяснять ход решения, делая пояснения используемых расчётных формул. Проводя расчёты, не следует подробно приводить все алгебраические преобразования. Числовые значения необходимо указывать в основных единицах  ( вольт – В, ампер – А,  фарад - Ф  и  т.д.).  Окончательный результат должен быть представлен с точностью до трёх значащих цифр (3,27  или  0,327), округлён до двух значащих цифр и снабжён символом основной или производной размерности (мА,  кОм  и т.д.).

 3.1.3  Рисунки, схемы и графики должны быть выполнены аккуратно и в принятых масштабах согласно ГОСТам.  Графики следует чертить  на миллиметровой бумаге с помощью чертёжных инструментов. Страницы, все рисунки и таблицы должны быть пронумерованы.

          3.1.4  В начале работы над  заданием следует привести вкратце условие, расчётную схему и исходные данные для своего варианта; в конце работы надо привести список использованной литературы, затем проставить дату окончания работы и свою подпись.

           3.1.5 На титульном листе курсовой работы должны быть указаны название института и факультета, фамилия, инициалы и шифр студента.

           3.1.6 Номиналы сопротивлений резисторов и ёмкостей конденсаторов    надо выбирать по шкале номинальных значений   ( Приложение А).

           3.1.7 Курсовая работа считается выполненной и засчитывается, если решение всех заданий выполнено принципиально правильно и отвечает указанным выше требованиям.       

           3.1.8  В случае, если курсовая работа не зачтена, все исправления должны быть проделаны в той же тетради после подписи преподавателя, исправленную работу нужно вернуть вместе с первоначальным текстом.

3.2   Задание  1

Ответить  в письменном виде на вопросы из разделов « вопросы для самопроверки»  в соответствии с таблицей  3.2.

3.3   Задание  2

           Рассчитать активный фильтр нижних частот   5-го  порядка на  ОУ с

неравномерностью  передачи в полосе пропускания  1 дБ  на частоте среза  fс.

Ёмкости конденсаторов не должны превышать  0,1 мкФ. Необходимые для расчёта технические условия приведены в таблице  3.3.

           Нужно  выполнить следующее:     

           –   начертить принципиальную схему   ARC-фильтра;

           –   определить ёмкости конденсаторов фильтра;

           –   определить сопротивления резисторов;

              –   выбрать по ГОСТу номиналы резисторов и конденсаторов.

    Таблица   3.2 –  Номера вопросов по четырём разделам  курса (к  заданию  1).

 

 

          Таблица  3.3 – Условия задания  2.

№ варианта	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Тип  ОУ	140УД6	140УД7	140УД8	140УД9	140УД10	140УД11	140УД14	153УД1	153УД2	153УД3
Частота  среза фильтра f c, кГц	10	8	7	10	8	7	6	10	8	7
Вид аппроксимации	По  Бесселю			По   Баттерворту				По  Чебышеву

3.4  Задание  3

         Начертить   принципиальную  электрическую  схему и  выполнить  расчёт

измерителя    мощности,  потребляемой  нагрузкой  в  цепи сигнала переменного  тока,  блок-схема  измерителя  изображена на рисунке  3.1.

 Необходимые данные  для расчёта приведены  в таблице 3.4.  Заданы такие условия: максимальное значение измеряемой мощности, частотный диапазон сигнала, коэффициенты трансформации трансформаторов напряжения  и тока, параметры измерительного стрелочного  прибора,  подключённого к выходу схемы измерителя мощности, а именно  сопротивление рамки и ток полного  отклонения  стрелки.

          При  расчётах  схемы  необходимо:

          –  выбрать в справочнике  и выписать  основные параметры  ОУ;

          – выбрать компоненты и провести расчёт электрических схем выпрямителей, сумматора,  логарифматоров  и   антилогарифматора;

          –  начертить принципиальную электрическую схему устройства и дать спецификацию компонентов.

 

       Таблица  3.4. – Условия   задания   3.

№ варианта	Последняя цифра шифра студента
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Максимальная мощность, мВт	100	75	75	50	50	40	40	30	30	30
Напряжение сигнала, В	5	5	4	4	3	3	2	2	1	1
Коэффициент трансформации, k	10	10	5	5	4	4	3	3	2,5	2,5
Коэффициент трансформации, n	100	100	80	80	60	60	40	40	20	20
Частотный диапазон,  мГц	0,1-1,0	0,1-1,0	0,2-2,0	0,2-2,0	0,3-3,0	0,3-3,0	0,5-4,0	0,5-4,0	1,0-5,0	1,0-5,0
Ток полного отклонения, мА	0,1	0,1	0,15	0,15	0,3	0,3	0,5	0,5	1,0	1,0
Сопротивление прибора,  кОм	1,0	1,0	0,8	0,8	0,6	0.6	0,4	0,4	0,2	0,2

 

3.4     Методические  указания  по выполнению курсовой  работы

           Задание  2

         Приступая к решению задания  2,  необходимо ознакомиться с работой  активных  частотных  фильтров  –  АRC-фильтров по источникам   [1,2,3,4,5].

         Порядок расчёта задания:

          -    выписать условия задания  из таблицы  3.3,  основные параметры ОУ

 [5,с. 98…124],  на которых  должна  быть  построена  схема  АRC-фильтра;

         –  составить принципиальную  электрическую  схему  АRC-фильтра

пятого порядка, в которой используются  два фильтра второго порядка и один фильтр первого порядка   [5, с, 58…60];

         –  из таблицы  3  там же  [5, с, 58…60]  найти значения  ёмкостей конденсаторов   (в  Фарадах)  для условных сопротивлений, равных  1 Ом, и  в соответствии   с  заданным видом  аппроксимации;

           –   найти величины ёмкостей, разделив их полученные значения  на 2pfс, где  fс – частота среза фильтра;

         –  вычислить значения ёмкостей, помножив полученные значения на коэффициенты  М,  которые выбираются из условия ограничения  значений  ёмкостей  (по условию задачи ёмкости не должны превышать  0,1 мкФ);

          – рассчитать значения номиналов резисторов путём умножения их условных значений   1 Ом   на коэффициенты  М;

          –  по таблице  в Приложении  А  выбрать  стандартные конденсаторы  и резисторы, причём необходимо  добиться  максимально возможного приближения  к расчётным  значениям  путём  последовательных  и параллельных  комбинаций  со стандартными  номиналами;

          –  начертить принципиальную схему фильтра  с цепочками  коррекции ОУ,  которые приведены  в  [5, с. 98…124].

          Задание  3

          Приступая  к расчёту  задания  3,  необходимо  прежде изучить работу схем выпрямителей,  логарифматоров, антилогарифматоров и сумматоров на ОУ  по  основным  источникам.

          Блок-схема измерителя мощности  приведена  на  рисунке  1

 

 

                    Iн

          Uс                                   Тр 2                Rн

 

                                                                                    1                 2

                                                                                                                   5             6

            Тр 1

                                                                                                                                                G

 

                                                                                                  

 

                                                                          

                                                                           3

                                                                                                           4

 

 

Рисунок   3.1. ^_  Блок-схема измерителя  мощности.

          Напряжение сигнала  Uс и  ток   Iн  в нагрузке Rн  подаются в схему измерителя мощности  соответственно  через трансформатор напряжения  Тр1

и  трансформатор  тока  Тр2.  Коэффициенты  трансформации их, соответственно   k   и   n  выбираются из таблицы  3.4.  Так  как  трансформатор 

тока   является источником тока, то он должен быть нагружен на сопротивление R, которое служит для преобразования тока вторичной обмотки   Тр2  в  напряжение. Полученное  напряжение, а также  напряжение вторичной  обмотки  Тр1 с помощью выпрямителей   1  и  3  с единичным  усилением  преобразуются  в сигналы постоянного  напряжения

U2вых  =  R Iн / n ,     U3вых  =  Uс / k  .

Напряжения на  выходах  схем  логарифматоров  2  и  4  представляют собой  логарифмы этих  напряжений:     lnU2вых    и   lnU3вых .  Далее  они  подаются на  входы сумматора   5,  выходное   напряжение  которого  равно   их  сумме

U5вых  =   ln U2вых  +    ln U3вых  =   ln  RIн / n +   ln  Uс / k .

С выхода сумматора   сигнал поступает на  антилогарифматор  6,  дающий  на выходе  напряжение       U6вых  =  ( R / kn ) UсIн,    как  результат  потенцирования  входного  напряжения  и  представляющего  собой произведение  напряжения  Uс на нагрузке  и тока  Iн  через нагрузку Rн.   В выражении  присутствует также постоянный  сомножитель, зависящий  от  коэффициентов  трансформации   k  и   n  и  сопротивления  R. 

          В  выражение  не  вошли  коэффициенты  передачи  логарифмирующей  и  антилогарифмирующей  схем,  так как  формула получена при допущении, что  эти  схемы  производят взаимно  обратные  операции   идеально.  Отсюда вытекает  важное требование:  рассчитать  эти  схемы таким  образом, чтобы их характеристики  вход-выход  были  взаимно обратными и полностью симметричными.  Поскольку  после операции  логарифмирования производится суммирование  и  только затем  антилогарифмирование,  то  необходимо выполнить  ещё  одно требование:  масштабирующие коэффициенты   слагаемых  в  схеме  суммирования  тоже  должны  быть  равны  единице.

          К  выходу  антилогарифматора  подключён стрелочный  прибор  G,  параметры которого:  сопротивление  рамки  и  ток  полного  отклонения  стрелки,  заданы  в  таблице  3.4.

 

          Примерный  порядок  расчёта  задания:

 

          –   выписать  условия  задания  из  таблицы  3.4; 

            –  выбрать из справочника ОУ,   критерием  выбора  является  частота  единичного усиления, которая должна превышать верхнюю частоту диапазона сигнала.  Выбрать  значения  элементов  цепей  коррекции  [5, с. 98…124]  в зависимости от требуемого коэффициента усиления;

          –  выбрать  значение  резистора  R, подключенного к вторичной обмотке трансформатора  тока  Тр2   для     преобразования    тока  вторичной  обмотки  в  напряжение. Величину  этого напряжения при максимальной мощности сигнала желательно получить равной напряжению вторичной обмотки трансформатора напряжения  Тр1;

          –  рассчитать  постоянную  времени   t   для   RC-цепочек  выпрямителей, 

собранных,  например,  по  схеме  амплитудного  детектора   с  единичным

усилением   [5, с. 88]   из  условия   t  =  (5…10) Т,  здесь  Т – значение периода  сигнала на  низкочастотном  крае  диапазона.

          –  рассчитать  схемы  логарифматоров  [1, с. 316…317], предварительно  выбрав диод  по  справочнику  для  цепи  ОС;  частотные свойства диода  должны   соответствовать  частоте  сигнала на  верхней  границе  его  диапазона,   диод  должен  быть  маломощным  и  иметь,  возможно,  меньшую  величину  обратного  тока;  желательно, чтобы оба  логарифматора  были собраны  по  одной  и  той  же  схеме;  

          –  рассчитать  схему сумматора  с единичными  масштабирующими  коэффициентами  слагаемых   [1, с. 301…302];

          –  рассчитать  схему  антилогарифматора  [1, с. 316…317],  расчёт  во  многом  близок  к  расчёту  логарифматора;

          –  рассчитать добавочное сопротивление в цепи стрелочного  прибора,  стрелка прибора  должна давать  полное отклонение при  максимальном токе нагрузки. Расчёт   не  вызывает  затруднений  и  сводится  поиску  добавочного сопротивления  в  цепи  гальванометра  при известных  величинах тока полного  отклонения  стрелки  и  подаваемого  напряжения;

          –  по таблице  Приложения  А  выбрать  стандартные конденсаторы  и резисторы, причём необходимо  добиться  максимально возможного приближения  к расчётным  значениям  путём  последовательных  и параллельных  комбинаций  со стандартными  номиналами;

          –  начертить принципиальную схему измерителя полной мощности  с цепочками  коррекции ОУ,  которые приведены  в  [5, с. 98…124],   и  привести спецификацию  всех  использованных  компонентов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

            Приложение   А

 

          Шкала  номинальных  значений  сопротивлений  и  ёмкостей

       

           

          Номинальные сопротивления  резисторов и ёмкости конденсаторов  стандартизованы. Для  постоянных резисторов согласно ГОСТ  2825 – 67  установлено  шесть  рядов:  Е6,  Е12,  Е24,  Е48,  Е96,  Е192,  а  для  переменных  резисторов  в  соответствии  с  ГОСТ  10318 – 80  установлен  ряд  Е6.  Цифра  после  буквы  Е указывает число  номинальных значений  в  каждом  десятичном интервале. В обычной практике применяют  ряды  Е6, Е12,  Е24.

          Номинальные  сопротивления  и  ёмкости  в  каждой  декаде  соответствуют  указанным  в  таблице числам  или  числам,  полученным  умножением  или делением их  на  10 Ù n , где  n – целое положительное или отрицательное число.

          Действительные  значения  сопротивлений и  ёмкостей  вследствие погрешностей изготовления могут  отличаться от номинальных. Разница между номинальными  и действительными  значениями, выраженная в процентах по отношению к номиналу, называется допустимым отклонением  (допуском).  Согласно  ГОСТ 9664 – 74  для  приведённых  в  таблице рядов  Е6,  Е12,  Е24   допуски  составляют  соответственно  20%,   10%   и   5% .

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

     Введение………………………………………………………………………….3

1   Программа  дисциплины  «Схемотехника  аналоговых  устройств»………...3

     1.1 Содержание  дисциплины…………………………………………………...3 

     1.2  Примерный  перечень  лабораторных  работ……………………………...4

     1.3  Темы практических занятий……………………………………………......5

     1.4  Список  литературы……………………………………………………...….5

2   Методические указания, вопросы для самопроверки к разделам курса……..6 

2.1  Методические  указания  к разделам  1.1.1.  и  1.1.2……………………..6

     2.2  Вопросы  для  самопроверки  к  разделам  1.1.1.  и  1.1.2………………...9

     2.3  Методические  указания  к  разделу   1.1.3………………………………10

     2.4  Вопросы  для  самопроверки  к  разделу  1.1.3…………………………..12

     2.5  Методические  указания  к  разделу   1.1.4………………………………13

     2.6  Вопросы  для  самопроверки  к  разделу  1.1.4…………………………..15

     2.7  Методические  указания  к  разделу   1.1.5………………………………16

     2.8  Вопросы  для  самопроверки  к  разделу  1.1.5…………………………..18

3   Задание на  курсовую  работу…………………………………………………19

     3.1  Правила выполнения и оформления курсовой  работы…………………20

     3.2  Задание  1…………………………………………………………………...20

     3.3  Задание  2……………………………………………………………….…..21

     3.4  Задание  3…………………………………………………………………...22

     3.5  Методические  указания  по выполнению курсовой  работы…………..22

Приложение  А………………………………………………………………..……26

 

 

 

 

 

                                                                     Сводный   план 2005 г.,  поз. 30

 

 

 

 

 

Булат  Баймуханович  Ордабаев

 

 

 

 

 

СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ  2

 

 

Программа,  методические  указания  и  курсовая  работа

для  студентов  специальности – 050719  Радиотехника, электроника и телекоммуникации заочной  формы  обучения 

 

 

 

 

 

 Редактор   Ж.М.  Сыздыкова 

 

 

 

 

 

Подписано  в  печать ______                           Формат  60 х 84    1 / 16

Тираж      экз.    300                                           Бумага  типографская   №1

Объём _______уч. изд. л.                            Заказ _______ Цена _   т.

 

 

 

 

 

 

 

 

Копировально – множительное  бюро   Алматинского  института

энергетики  и  связи

050013,  Алматы ,  Байтурсынулы,   126