Analog_System_Lab_Manual_ru

Введение

На рисунке 1.2 показана структурная схема проведения практических занятий в лабораторном курсе по аналоговым системам. Исходя из этой схемы следует выбирать последовательность проведения занятий. Мы уверены, что студенты должны выполнить все практические занятия.

Убеждены, что в конце курса по аналоговым системам студенты получат нужные знания.

1. Вы будете знать характеристики аналоговых микросхем, применяемых в

электронных системах.

2. Вы будете знать, как создавать макромодель для микросхем, базируясь на их выходных характеристиках, вход/выход-характеристиках, передаточной функции по постоянному току, амплитудно-частотных характеристиках (АЧХ), характеристиках

чувствительности.

3.Вы сможете правильно выбрать микросхему.

4.Вы сможете выявить неисправности в электронной системе.

5 7 9

Рис.1.2. Последовательность проведения лабораторных работ

Введение

1.3 Выполнение лабораторных работ

Для проведения работ требуется простое оборудование.

1 ASLKv2010 и руководство пользователя от Texas Instruments India – лабораторный

набор высылается вместе с нужными разъемами.

2 Низкочастотный осциллограф – диапазон частот 1–10 МГц. Texas Instruments

предлагает также печатную плату осциллографа, которая может устанавливаться в переносной компьютер (laptop). При этом последний работает в режиме осциллографа

[28].

3Источник питания с выходным напряжением ±10 В.

4Функциональный генератор (синусоида, прямоугольные и треугольные импульсы),

работающий в диапазоне 1–10 МГц.

5 Компьютер с инсталлированным программным обеспечением от Texas Instruments (TINA-TI , FilterPro и SwitcherPro).

При проведении лабораторных работ имейте в виду, что:

1 Если не указано иначе, то частота входного сигнала составляет 1 кГц, а его

значение изменяется в диапазоне 0–1 В.

2Всегда используется синусоидальный сигнал при анализе АЧХ и прямоугольные импульсы при анализе переходных процессов.

3Студентам на заметку: к каждому практическому занятию дается таблица, в

которую следует занести результаты экспериментальных данных, полученных во время занятия.

4Предупреждение: обратите внимание, что TL082 сдвоенный усилитель – в одном корпусе размещены два ОУ. Если используется только один из них, не оставляйте неподключенными выводы второго ОУ – включите его в схему с единичным усилением и заземлите входы.

Введение

Рис. 1.3. Внешний вид комплекта ASLKv2010

1Предупреждение: при подключении осциллографа к различным точкам печатной платы всегда используйте пробники.

2Информация для студентов и преподавателей: мы настоятельно советуем студентам проводить моделирование не во время практических занятий. Студенты могут

принести копию с результатами моделирования на симуляторе TINA-TI в класс и показать

ее преподавателю в начале занятий. Часы занятий должны быть использованы только для проведения лабораторных работ с компонентами и сравнения полученных данных с результатами моделирования.

Введение

1.4Лабораторный комплект ASLKv2010 – Обзор

1.4.1Аппаратная часть

ASLKv2010 (см. рис. 1.3) была разработана в Texas Instruments India. Лабораторный

набор предназначен для студентов последних курсов инженерных специальностей для проведения практических занятий. Основная идея ASLKv2010 – предоставить студентам экономичную платформу для практических занятий, используя которую можно изучить почти все аналоговые системы, использующие такие микросхемы общего назначения, как ОУ и аналоговые умножители.

ASLKv2010 включает четыре ОУ общего применения (TL082), 3 широкополосных аналоговых умножителя (MPY634). В комплект также входят: 12-разрядный умножающий ЦАП DAC7821 с параллельным входом, понижающий DC/DC-контроллер TPS40200 и

линейный регулятор с малым падением напряжения – low dropout regulator (LDO) –

TLV7003. Все компоненты производятся компанией Texas Instruments. Часть платы

ASLKv2010 (слева) предназначена для макетирования.

Питание комплекта производится от источников ±5 В и ±10 В постоянного тока. В

состав комплекта входят провода и соединители для подключения к блоку питания.

Настоящее руководство представляет собой полное описание лабораторного комплекта и содержит упражнения по аналоговым системам, краткие теоретические сведения и результаты моделирования на симуляторе TINA-TI. В приложении А приведены подробные описания микросхем, используемых в ASLKv2010. В остальных

приложениях даны дополнительные описания ASLKv2010.

1.4.2 Программное обеспечение

Для проведения практических занятий необходимо следующее программное

обеспечение:

1.TINA-TI – полнофункциональный симулятор, базирующийся на SPICE-моделях.

2.FilterPro – программа для проектирования аналоговых фильтров.

3.SwitcherPro – программа для проектирования импульсных источников питания.

4.MDACBufferPro – программа для проектирования умножающих ЦАП.

5.ADCPro – программа для проектирования АЦП.

6.ClockPro – программа для проектирования генераторов тактовой частоты.

TINA – полнофункциональный, простой в использовании симулятор электронных схем.

Он позволяет моделировать схемы с пассивными компонентами (резисторы,

конденсаторы, индуктивности), источники тока и напряжения, измерители мощности и аналоговые микросхемы. TINA-TI – функциональный аналог TINA с загруженными

макромоделями микросхем TI. (В приложении В объясняется, что такое макромодели). Во время написания этого руководства была доступна версия 7.0 TINA-TI, не имеющая ограничения на размер схем. Версия 6.0 совместима с 7.0 снизу вверх, но не наоборот.

Отличное руководство по работе с симулятором «Getting Started with TINA-TI (A Quick Start Guide)» [32] поможет вам быстро освоить симулятор.

FilterPro – программа для проектирования активных аналоговых фильтров. На момент написания настоящего руководства была доступна последняя версия 3.0, она поддерживала проектирование фильтров Бесселя, Чебышева, Баттерворта, Гаусса и линейно-фазовых фильтров. FilterPro можно использовать для проектирования фильтров верхних и нижних частот.

Введение

1.5 Знакомство с ASLKv2010

Лабораторный набор ASLKv2010 можно разделить на несколько секций. Сделаем это,

опираясь на рисунок 1.3.

Четыре микросхемы ОУ TL082 обозначены IC1, IC2, IC3 и IC4. В состав каждой из них входят два ОУ, которые обозначим А и В. Например, 1А и 1В – два ОУ в микросхеме

IC1 и т.д. Восемь ОУ сгруппированы ниже в таблице 1.1

Таблица 1.1. Типы и назначение ОУ

Таким образом, ОУ на плате обозначены: ТИП 1, ТИП 2 и РЕЗЕРВ. ОУ ТИП 1 могут

быть соединены только по инвертирующей схеме. С помощью соединителей резисторы и емкости могут быть включены в цепь обратной связи (ОС). ОУ ТИП 2 могут быть соединены и по инвертирующей, и по неинвертирующей схемам. На плате размещены также три резервных ОУ. Все усилители питаются напряжением ±5 В. Шины питания и

земли подключены к ОУ.

Три аналоговых умножителя входят в лабораторный комплект. Это

широкополосные прецизионные аналоговые умножители MPY634 в 14-выводном корпусе.

Их напряжение питания: ±10 В. Шины питания и земли подключены к умножителям.

Два ЦАП DAC7821 обозначены на плате DAC 1 и DAC 2. Это 12-разрядные умножающие ЦАП с параллельным входом, которые могут быть использованы и в качестве аналоговых умножителей в схемах AGC/AVC. Шины питания и земли подключены к ЦАП. Выводы U9P3 и U8P3 ЦАП 1 и ЦАП 2 заземлены, а выводы U9P18 и

U8P18 этих ЦАП подключены к шине +5 В.

Понижающий DC/DC-преобразователь TPS40200 обеспечивает выходное напряжение 3,3 В при широком диапазоне входных напряжений 18–36 В и выходных токах

0,125…2,5 А.

Введение

Имейте в виду, что мы предусмотрели одно упражнение по проектированию DC/DC-

преобразователя (упражнение 9) с использованием ОУ LF353 и умножителя MPY634. TPS40200 микросхема TPS40200 – законченное изделие и может быть использована для изучения характеристик преобразователя, а также при проектировании специальных приложений.

На плате находятся:

-PMOS-транзистор, который понадобится для проектирования LDO-регулятора

(упражнение 10);

-четыре 1-кОм потенциометра TRIMPOT для получения различных напряжений,

необходимых для схемы. Потенциометры обозначены POT1, POT2, POT3, и POT4 и

работают в диапазонах: 0–5 В; –5–0 В; 0–10 В и –10–0 В. (Потенциометры дополнительно обеспечивают нужные напряжения для элементов схемы или микросхем);

-распаяны разъемы для соединения с блоком питания ±5 В и ±10 В. Все микросхемы на плате подключены к шинами питания и не нуждаются в дополнительном подключении питания. Случаи внешнего подключения питания легко реализуемы и описаны в приложении D;

-в верхнем левом углу платы предусмотрена зона для макетирования. Шины 5 в и

±10 В подведены к этому участку платы.

1.6 Структура настоящего руководства

10 практических занятий описаны в руководстве и 10 следующих глав посвящены им.

Мы рекомендуем, чтобы в первом цикле занятий преподаватель рассказал об ASLKv2010

и убедился, что все студенты знакомы с симулятором TINA-TI. Подготовительное занятие может быть посвящено ответам на вопросы студентов о симуляторе TINA-TI. В каждом занятии мы должны разъяснять его цели и давать краткие теоретические основы.

Лабораторный курс по аналоговым системам может проводиться параллельно с теоретическим курсом проектирования аналоговых систем или использоваться в дополнение к теоретическому курсу.

Для освоения лабораторного курса проектирования аналоговых систем

студенты должны иметь следующие навыки:

1.Знать электронные схемы.

2.Знать компьютер в объеме, позволяющем работать с симулятором TINA-TI.

3.Уметь работать с осциллографом.

4.Понимать, что такое усиление, полоса пропускания, передаточная функция,

регулятор и формирователь.

Глава 2

Лабораторное занятие 1

Отрицательная обратная связь в усилителях. Инструментальные усилители

2.1 Цель занятия

Занятие имеет две цели. В первой части мы разберем, что такое отрицательная

обратная связь (ООС). Во второй части спроектируем инструментальный ОУ.

2.2 Краткие теоретические сведения

2.2.1 Усилитель с единичным усилением

Для построения ОУ [8] с единичным усилением в инвертирующем и неинвертирующем включениях используется ООС. Идеальный ОУ имеет бесконечный коэффициент усиления и бесконечную полосу пропускания. В реальном ОУ эти параметры конечны.

Поэтому надо понять, насколько важны такие ограничения как произведение усиления на

полосу пропускания – Gain-Bandwidth Product (GB). Это же относится и к скорости

нарастания, и к ограничениям, вызванным насыщением. Как измерить эти параметры в

конкретном ОУ?

Интересно и воздействие этих параметров на частотные характеристики и переходные

процессы. Частотные характеристики ОУ мы получим при воздействии на его вход синусоидального сигнала, а для изучения переходных процессов используем прямоугольные последовательности импульсов. Более подробно этот вопрос изложен в

[16].

ОУ может рассматриваться как источник напряжения, управляемый напряжением с

коэффициентом усиления напряжения, стремящимся к бесконечности. Поэтому для

получения конечного выходного напряжения входное напряжение практически равно 0.

ОУ может рассматриваться и как источник тока, управляемый током с коэффициентом

усиления тока, стремящимся к бесконечности. На рисунке 2.1 показан ОУ с дифференциальным входом, несимметричным выходным сигналом и двуполярным

питанием ±VSS, поэтому при входном сигнале, равном нулю, и выходной сигнал может

быть равен нулю.

В обоих выражениях AO – коэффициент усиления с разомкнутой ОС. Обычно его величина лежит в диапазоне 103–106 следовательно, V1≈V2.

Рис. 2.2 ОУ с единичным коэффициентом усиления

На рисунке 2.2. показан ОУ с единичным усилением. Легко видеть, что:

(2.3) Vo/Vs = Ao / (1+Ao)

(2.4) Vo/Vs 1as Ao

Как видно из (2.5) в ОУ с замкнутой ОС коэффициент усиления А зависит от частоты. В

этом выражении ωd1 и ωd2 (ωd1<ωd2) известны как доминантные полюса ОУ.

Передаточная функция типового ОУ обычно имеет частотную компенсацию, этот

вопрос подробно изложен в [17].

Величина GB = Ao × ωd1, называемая произведением усиления на полосу пропускания ОУ, является одним из важнейших параметров ОУ в схемах с ООС.

Рис. 2.3 АЧХ ОУ с единичным усилением

Вышеприведенные передаточные функции можно переписать следующим образом:

1

ω0

где:

1

Q =

+ A1

Мы можем переписать Q в виде:

Также:

ω0 = • ωd2

Q называется добротностью, а β = 1/2 Q носит название коэффициента

демпфирования, ω0 – собственная частота системы второго порядка. На рисунке 2.3 – амплитудно-частотная характеристика ОУ с единичным усилением.

Рис. 2.4 Переходный процесс ОУ при ступенчатом воздействии

Если подать на вход ОУ ступенчатое напряжение амплитудой VP, и если VP × GB <

скорости нарастания, то выходное напряжение ОУ будет иметь вид, показанный на рисунке 2.4, при условии, что Q>1/2 или β < 1.

Величина Q определяет вид переходного процесса системы (колебательный или асимптотический). Частота колебательного переходного процесса составит: ω0 = • ωd2

Скорость нарастания определяет максимальное время нарастания сигнала. Другими словами, скорость нарастания равна максимуму величины dV0/dt. В этом занятии мы ступенчато увеличили входное напряжение на величину VP, следовательно то время, за которое выходное напряжение достигло этой же величины и больше не изменялось,

называется временем нарастания – slew rate. Время нарастания зависти от величины VP

и возрастает при увеличении VP.

2.2.3 Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 2 показан на рисунке 2.5(б). На рисунке 2.6 показаны три схемы ОУ с ООС. На рисунке 2.7 показаны их АЧХ и фазо-

частотные характеристики (ФЧХ). И, наконец, на рисунке 2.8 показаны выходные сигналы этих ОУ при подаче на вход прямоугольных импульсов. Последний рисунок иллюстрирует

ограничения, накладываемые конечным значением скорости нарастания.

Рис. 2.5. Неинвертирующий ОУ с коэффициентом усиления 2 (а).

Инвертирующий ОУ с коэффициентом усиления 2 (б)