Analog_System_Lab_Manual_ru

ЛАБОРАТОРНЫЙ КУРС ПО АНАЛОГОВЫМ СИСТЕМАМ

ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОВ РАЗРАБОТКИ АНАЛОГОВЫХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДЕМОНСТРАЦИОННОГО ЛАБОРАТОРНОГО КОМПЛЕКТА ASLKv2010

Dr.K.R.K. Rao and Dr. C.P. Ravikumar

Texas Instruments, India

Bagmane Tech Park

CV Raman Nagar

Bangalore 560093

India

Аннотация

Цифровая обработка сигналов сегодня наиболее распространена, однако без аналоговых методов не обойтись, т.к. большинство сигналов в природе аналоговые по своей сути. Цель лабораторного курса по аналоговым системам – продемонстрировать студентам увлекательный мир обработки сигналов аналоговыми и смешанными методами. Курс обучения может быть адаптирован для студентов последних курсов или аспирантов.

В рамках лабораторного курса студенты составят представление об аналоговые системах,

микросхемах и изучат их макромодели, характеристики и недостатки. При составлении курса мы ориентировались более на системное проектирование, нежели на схемотехнику. По нашему мнению курсы аналоговой электроники в вузах сфокусированы на схемотехнике и игнорируют проблемы,

встречающиеся в системотехнике.

На практике системотехник использует аналоговые микросхемы как строительные блоки. В

фокусе внимания системотехника: оптимизация на системном уровне стоимости, энерго-

потребления и качества системы. Производители, такие как Texas Instruments, учитывают разнообразные требования системотехников и предлагают им большой ассортимент микросхем.

Разработчик должен понимать, как удовлетворить разнообразные требования приложений и сделать правильный выбор. Мы постарались подчеркнуть этот аспект проектирования и подкрепили его практическими примерами. В руководстве приведены 10 практических занятий, которые могут выполняться как индивидуально, так и группой из двух студентов.

В первой части курса дается понятие о двух базовых компонентах: усилителях и умножителях.

Вторая часть курса сосредоточена на том, как с использованием этих компонентов спроектировать аналоговые системы: интеграторы, дифференциаторы, функциональные генераторы, VCO, PLL, DC/DC-преобразователи и регуляторы.

Особенность курса заключается в проверке спроектированных на бумаге устройств SPICE-

моделированием на симуляторе TINA-TI. Каждое практическое занятие сопровождается кратким изучением теоретических основ, списком дополнительной литературы (в основном интерактивным,

находящимся в свободном доступе), спецификацией на проект, необходимыми измерениями и документацией, требуемой для проведения занятия. Руководство преподавателя может быть предоставлено по запросу.

Содержание

1 Введение

1.1 Лаборатория аналоговых систем

1.2Организация лабораторного курса по аналоговым системам

1.3Выполнение лабораторных работ

1.4Лабораторный комплект ASLKv2010 – Обзор

1.4.1Аппаратная часть

1.4.2Программное обеспечение

1.5Знакомство с ASLKv2010

1.6Структура настоящего руководства

2 Лабораторное занятие 1

Отрицательная обратная связь в усилителях. Инструментальные усилители

2.1Цель занятия

2.2Краткие теоретические сведения

2.2.1Усилитель с единичным усилением

2.2.2Неинвертирующий усилитель

2.2.3Инвертирующий усилитель

2.3Выполнение упражнения 1

2.4Необходимые измерения

2.5Оформление результатов занятия

2.6Схожие микросхемы

2.7Дополнительная литература

3 Лабораторное занятие 2

Регенеративные системы с ОС, автоколебательные и моностабильные мультивибраторы

3.1Цель занятия

3.2Краткие теоретические сведения

3.2.1Инвертирующий регенеративный компаратор

3.2.2Нестабильный мультивибратор

3.2.3Одностабильный мультивибратор (Таймер)

3.3Выполнение упражнения 2

4 Лабораторное занятие 3

Интеграторы и дифференциаторы

4.1Цель занятия

4.2Краткие теоретические сведения

4.2.1Интегратор

4.2.2Дифференциатор

4.3.Параметры

4.4Необходимые измерения

Содержание

4.5Оформление результатов занятия

4.6Выполнение упражнения 3.

Топология интегратора и дифференциатора с заземленным конденсатором

5 Лабораторное занятие 4

Аналоговые фильтры

5.1Цель занятия

5.2Краткие теоретические сведения

5.3Частотные характеристики фильтров

5.4Параметры

5.5Необходимые измерения

5.6Оформление результатов занятия

5.7Выполнение упражнения 4

5.8Схожие микросхемы

6 Лабораторное занятие 5

Самонастраивающиеся фильтры

6.1Цель занятия

6.2Краткие теоретические сведения

6.2.1 Умножитель в качестве фазового детектора

6.3Параметры

6.4Необходимые измерения

6.4.1 Временные характеристики

6.5Оформление результатов занятия

6.5.1Выполнение упражнения 5

6.5.2Схожие микросхемы

7 Лабораторное занятие 6

Функциональный генератор и осциллятор, управляемый напряжением

7.1Цель занятия

7.2Краткие теоретические сведения

7.3Параметры

7.4Необходимые измерения

7.5Оформление результатов занятия

7.6Выполнение упражнения 6

Содержание

8 Лабораторное занятие 7

Фазовая автоподстройка частоты

8.1Цель занятия

8.2Краткие теоретические сведения

8.3Задание на проектирование

8.4Необходимые измерения

8.5Оформление результатов занятия

8.6Выполнение упражнения 7

9 Лабораторное занятие 9

Автоматическое управление усиление/Автоматическая регулировка громкости

9.1Цель занятия

9.2Краткие теоретические сведения

9.3Задание на проектирование

9.4Необходимые измерения

9.5Оформление результатов занятия

9.6Выполнение упражнения 8

10 Лабораторное занятие 9 DC/DC-преобразователь

10.1Цель занятия

10.2Краткие теоретические сведения

10.3Задание на проектирование

10.4Оформление результатов занятия

10.5Выполнение упражнения 9

11 Лабораторное занятие 10

Линейный регулятор с малым падением напряжения

11.1Цель занятия

11.2Краткие теоретические сведения

11.3Задание на проектирование

11.4Оформление результатов занятия

11.5Выполнение упражнения 10

Содержание

А Микросхемы, используемые в ASLKv2010

Аналоговые микросхемы Texas Instruments, используемые в ASLKv2010

А.1 TL082, операционный усилитель с входным каскадом JFET

А.1.1 Особенности А.1.2 Приложения А.1.3 Описания

А.1.4 Техническая документация

А.2 MPY634: широкополосный аналоговый прецизионный умножитель А.2.1 Особенности А.2.2 Приложения А.2.3 Описание

А.2.4 Техническая документация

А.3 DAC 7821: 12-разрядный параллельный умножающий ЦАП А.3.1 Особенности А.3.2 Приложения А.3.3 Описание

А.3.4 Техническая документация

А.4 TPS40200 – понижающий DC/DC-контроллер с широким диапазоном входных напряжений и несинхронным выпрямлением

А.4.1 Особенности А.4.2 Приложения А.4.3 Описание

А.5 TPS40200EVM-002

А.5.1 Техническая документация

А.6 TLV700xx – 200-мА линейный регулятор с малым падением напряжения –

Low Dropout Regulator (LDO)

А.6.1 Особенности А.6.3 Описание

A.6.4 TLV70018EVM-503 Evaluation Module

А.6.5 Техническая документация

В Введение в макромодели

В.1 Микромодели В.2 Макромодели

С Преобразование компьютера в осциллограф

С.1 Введение С.2 Ограничения

Содержание

D Электрические схемы лабораторного комплекта ASLKv2010

Перечень рисунков

Рис. 1.1. Сигнальная цепь электронной системы Рис. 1.2. Последовательность проведения лабораторных работ Рис. 1.3. Внешний вид комплекта ASLKv2010

Рис. 2.1. Идеальный ОУ, 2 входа, 1 выход и его выходные характеристики Рис. 2.2. ОУ с единичным коэффициентом усиления Рис. 2.3. АЧХ ОУ с единичным усилением

Рис. 2.4. Переходный процесс ОУ при ступенчатом воздействии Рис. 2.5. Неинвертирующий ОУ с коэффициентом усиления 2 (а). Инвертирующий ОУ

с коэффициентом усиления 2 (б)

Рис. 2.6. ОУ с отрицательной ОС Рис. 2.7. Частотные характеристики ОУ с отрицательной ОС

Рис. 2.8. Выходные напряжения VF1, VF2. Входное напряжение VF3 ОУ с отрицательной ОС

(см. рис. 2.1) при входном сигнале в виде прямоугольной импульсной последовательности VG1

Рис. 2.9. Инструментальный ОУ, сконфигурированный из трех ОУ (а) и из двух ОУ (б)

Рис. 3.1. Инвертирующий триггер Шмитта и характеристики гистерезиса Рис. 3.2. Схемное обозначение инвертирующего и неинвертирующего триггеров Шмитта Рис. 3.3. Неинвертирующий триггер Шмитта и его гистерезис Рис. 3.4. Нестабильный мультивибратор и его характеристики Рис. 3.5. Форма запускающих импульсов Рис. 3.6. Одностабильный мультивибратор Рис. 4.1. Интегратор Рис. 4.2. Дифференциатор

Рис. 4.3. Частотные характеристики интегратора и дифференциатора Рис. 4.4. Выходные напряжения интегратора и дифференциатора при входных сигналах

в виде прямоугольной и треугольной импульсных последовательностей.

Рис. 4.5. Интегратор Deboo

Рис. 5.1. Универсальный активный фильтр второго порядка Рис. 5.2. Амплитудно- и фазочастотные характеристики фильтров: ФНЧ, ФВЧ, ФЗ и ФП Рис. 6.1. Аналоговый умножитель

Рис. 6.2. Самонастраивающийся фильтр, созданный на основе управляемых напряжением фильтра и генератора фазы

Рис. 6.3. Выход самонастраивающегося фильтра, полученный при моделировании на симуляторе TINA-TI

Рис. 7.1. Функциональный генератор Рис. 7.2. Осциллограмма напряжений функционального генератора

Рис. 7.3. Регулируемый напряжением осциллятор Рис. 8.1. Схема ФАПЧ (а) и ее характеристики (б)

Рис. 8.2. Образец выходного сигнала ФАПЧ при входнои сигнале прямоугольной формы Рис. 8.3. Структурная схема синтезатора частоты Рис. 9.1. Схема АРУ/АРУр Рис. 9.2. Характеристики вход/выход АРУ/АРУр

Рис. 9.3. Схема АРУ и диаграммы напряжений

Рис. 10.1. DC/DC-преобразователь и форма ШИМ-сигнала

Рис. 10.2. Импульсный источник питания (а); форма выходных напряжений (б)

Рис. 11.1. Схема LDO

Содержание

Рис. 11.2. Схема для моделирования нагрузочной характеристики и линейной регулировочной характеристики

Рис. А.1. TL082 – ОУ с JFET входным каскадом

Рис. А.2. MPY634 – аналоговый умножитель

Рис. А.3. DAC 7821 – цифро-аналоговый преобразователь Рис. А.4. DC/GC-контроллер

Рис. А.5. TLV700XX – линейный регулятор с малым падением напряжения Рис. С.1. Буферная схема интерфейса аналогового сигнала

Рис. D.1. Операционный усилитель 1А. Включение по инвертирующей схеме Рис. D.2. Операционный усилитель 1В. Включение по инвертирующей схеме Рис. D.3. Операционный усилитель 4А может быть включен по инвертирующей

или неинвертирующей схеме

Рис. D.4. Операционный усилитель 4В может быть включен по инвертирующей или неинвертирующей схеме

Рис. D.5. Подключение аналогового умножителя в комплекте ASLKv2010

Рис. D.6. ЦАП 1 в комплекте ASLKv2010

Рис. D.7. Соединение TPS40200 в комплекте ASLKv2010

Рис. D.8. Соединение TLV70033 в комплекте ASLKv2010

Перечень таблиц

Таблица 2.1. Амплитуда выходного сигнала от пика до пика VPP при разной частоте Таблица 2.2. Амплитуда и сдвиг фаз выходного сигнала при разной частоте Таблица 2.3. Статическая передаточная функция Таблица 3.1. Зависимость гистерезиса от регенеративной ОС

Таблица 4.1. Зависимость фазы и амплитуды интегратора от входной частоты Таблица 4.2. Зависимость фазы и амплитуды дифференциатора от входной частоты

Таблица 4.3. Изменение выходного напряжения (пик-пик) в функции входного напряжения

(пик-пик)

Таблица 5.1. Передаточные характеристики активных фильтров Таблица 5.2. Частотные характеристики ФП при ω0 = 1 кГц, Q = 1

Таблица 5.3. Частотные характеристики ФЗ при ω0 = 10 кГц, Q = 1

Таблица 6.1. Изменение выходной амплитуды в функции частоты входного сигнала Таблица 7.1. Изменение частоты в функции Таблица 8.1. Изменение фазы сигнала в функции входной частоты

Таблица 9.1. Передаточные характеристики схемы АРУ

Таблица 10.1. Изменение выходного напряжения в функции опорного напряжения

DC/DC-преобразователя

Таблица 10.2. Изменение коэффициента заполнения в функции опорного напряжения

DC/DC-преобразователя Таблица 11.1. Нагрузочная характеристика

Таблица 11.2. Линейная регулировочная характеристика Таблица 11.3. Ослабление напряжения пульсаций Таблица В.1. Операционные усилители Texas Instruments

Введение

1.1 Лаборатория аналоговых систем

Цифровая обработка сигналов получила сегодня наиболее широкое распространение, но аналоговые методы не могут быть забыты, т.к. большинство сигналов в природе аналоговые по своей сути. Рассмотрим типовую сигнальную цепь (см. рис. 1.1).

1.Датчик преобразует физическую величину в электрический сигнал. Часто этот сигнал мал по величине и сильно зашумлен.

2.Усилитель нужен для усиления сигнала. Фильтр используется для удаления шума. Предварительная обработка улучшает соотношение сигнал/шум. Три наиболее важных устройства используются на этом этапе: операционные усилители(ОУ); аналоговые умножители (АУ); аналоговые компараторы (АК).

3.Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) преобразуют аналоговый сигнал в цифровой.

4.Цифровой сигнал обрабатывается в ЦПУ, например, в DSP, микропроцессорах или микроконтроллерах. Выбор процессора производится в зависимости от требуемой вычислительной мощности. DSP может потребоваться при обработке сигналов в комплексной форме в масштабе реального времени. Микропроцессоры и микроконтроллеры могут применяться в других приложениях.

5.Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) используется для преобразования цифровых сигналов в аналоговые.

6.Выходной сигнал ЦАП необходимо усилить, перед тем как подавать его на исполнительный механизм.

Эта очевидная аналоговая схема играет важную роль в реализации электронных систем.

Цель лабораторного курса по аналоговым системам – продемонстрировать студентам увлекательный мир обработки сигналов аналоговыми и смешанными методами. Курс обучения может быть адаптирован для студентов последних курсов или аспирантов. В рамках лабораторного курса студенты составят представление об аналоговые системах, микросхемах и изучат их макромодели, характеристики и недостатки.

Рис. 1.1. Сигнальная цепь электронной системы

Введение

1.2 Организация лабораторного курса по аналоговым системам

При организации лабораторного курса мы исходили из 12 занятий в семестр и предусмотрели 10 практических занятий, которые можно проводить индивидуально или группами из двух студентов. Практические занятия можно разделить на несколько категорий.

1. Часть 1. В первой части студентам будут продемонстрированы особенности использования основных блоков аналоговых систем. Наибольшее внимание в лабораторном курсе по аналоговым системам мы уделим двум компонентам:

-ОУ общего назначения TL082 с JFET входным каскадом. (ОУ производится Texas Instruments);

-широкополосному прецизионному аналоговому умножителю MPY634 производства

Texas Instruments.

Используя эти компоненты, студенты научатся создавать усилительные каскады,

инструментальные усилители, буферы и регуляторы напряжения. Эти занятия выявят несколько важных проблем: измерения произведения полосы пропускания на коэффициент усиления, определение скорости нарастания и ограничений, вызванных насыщением ОУ.

2. Часть 2. Сфокусирована на построении аналоговых систем с использованием вышеупомянутых компонентов.

Во-первых, мы рассмотрим интеграторы и дифференциаторы – они являются необходимым звеном для построения фильтров, необходимых для ограничения полосы пропускания и устранения эффекта наложения в процессе выборки сигнала.

Затем мы изучим аналоговые компараторы, они имеют смешанное применение – на входе аналоговых и на выходе цифровых сигналов. Мы коснемся времени установления

сигнала, времени спада и задержки распространения.

Функциональные генераторы также применяются в смешанных системах обработки данных. Они используются в интеграторах и регенеративных компараторах.

Функциональные генераторы создают последовательности треугольных и прямоугольных импульсов. Их применяют в широтно-импульсных модуляторах (ШИМ) в DC/DC-

преобразователях, импульсных источниках питания в усилителях класса D.

Аналоговые умножители управляются ОУ с обратной связью по напряжению или току и находят применение в устройствах связи в качестве смесителей, модуляторов,

демодуляторов и в фазовых детекторах. Мы используем умножители при построении:

генераторов, управляемых напряжением; частотно модулируемых генераторов;

генераторов со сдвигом частоты в модемах; усилителях с автоматической регулировкой усиления; осцилляторах со стабилизированной амплитудой; системах с автоматической подстройкой частоты, использующих фазовые генераторы, управляемые напряжением и

VCO.

В лабораторном курсе по аналоговым системам частотный диапазон приложений ограничен шкалой 1–10 кГц. Обусловлено это следующим. Во-первых, при этом используется простая макромодель для моделирования. Во-вторых, ПК может быть

использован вместо осциллографа. Мы включили в практические занятия все, чтобы помочь

использовать ПК вместо осциллографа. Также мы предполагаем на практических занятиях

разрабатывать макромодель ОУ.