Analog_System_Lab_Manual_ru

2.3Выполнение упражнения 1

1.Спроектируем следующие ОУ: (а) с единичным усилением; (б) неинвертирующий

ОУ с усилением 2 (см рис. 2.5а) и инвертирующий ОУ с коэффициентом усиления 2 (см.

рис. 2.5б).

2.Инструментальный усилитель (ИУ) при измерении дифференциального сигнала AD

состоит из трех ОУ (см. рис. 2.9а). Предположим, что резисторы в схеме ИУ выбраны с разбросом σ = 1%, и определим коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) –

Common Mode Rejection Ratio (CMRR) – выражением. Расчет полосы пропускания ИУ описан в [18].

3.Схема ИУ с использованием двух ОУ при измерении дифференциального сигнала AD показана на рисунке 2.9б. Определим КОСС при условии, что резисторы в схеме ИУ

выбраны с разбросом σ = 1%. Оценим полосу пропускания ИУ.

2.4Необходимые измерения

1.Временные характеристики. Прикладываем ко входу последовательность

прямоугольных импульсов и изучаем реакцию ОУ с тремя типами ООС (см. рис. 2.6): с

единичным усилением; в инвертирующем; неинвертирующем включениях.

Рис. 2.6. ОУ с отрицательной ОС

2. Частотные характеристики. Получим произведение усиления на полосу пропускания (GB) для всех трех ОУ (см. рис. 2.6)): с единичным усилением; в инвертирующем; неинвертирующем включениях.

A × ω = GB

Это выражение иллюстрирует компромисс между коэффициентом усиления и полосой

пропускания.

3.Статическая передаточная функция (коэффициент передачи постоянного сигнала). По мере увеличения коэффициента усиления ОУ с замкнутой ОС диапазон изменения входного сигнала, при котором выходной сигнал остается линейным, уменьшается. Этот диапазон ограничен значением 2VCC/A. Из таблицы 3 определите диапазон входного сигнала, при котором выходной сигнал изменяется линейно.

4.Определите второй полюс ОУ и создайте макромодель усилителя TL082 – в приложении В изложено введение в аналоговые макромодели.

(A) Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)

(Б) Фазо-частотная характеристика (ФЧХ)

Рис. 2.7. Частотные характеристики ОУ с отрицательной ОС

2.5Оформление результатов занятия

1.Предоставьте результаты симулирования в TINA-TI временных и частотных

характеристик, а также статическую передаточную функцию.

2.Снимите осциллограммы временных и частотных характеристик, а также

статическую передаточную функцию и сравните их с полученными при симулировании.

3.Временные характеристики. Подайте на вход ОУ импульсную последовательность

1 В. Изменяйте частоту импульсов и измеряйте амплитуду выходного сигнала от пика до

пика. Запишите результаты в таблицу 2.1 и вычислите скорость нарастания.

4.Частотные характеристики. Подайте на вход ОУ синусоидальный сигнал и измерьте амплитуду и сдвиг фазы выходного сигнала по отношению ко входному.

Запишите результаты в таблицу 2.2.

5.Статическая передаточная функция. Подайте на вход ОУ сигнал постоянного тока

иизменяйте его величину. Измеряйте выходной сигнал. Запишите результаты в таблицу

2.3.

2.6 Схожие микросхемы

Компания Texas Instruments производит инструментальные ОУ INA114, INA118 и

INA128, а также и другие ОУ общего назначения, например: OPA703, OPA357 и т.д.

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

2.7 Дополнительная литература

Документация на все микросхемы доступна на сайте Texas Instruments: ww.ti.com.

Также можно рекомендовать отличную литературу [5, 8].

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

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

Глава 3

Лабораторное занятие 2

Регенеративные системы с ОС, автоколебательные и моностабильные мультивибраторы

3.1 Цель занятия

Мы проиллюстрируем действие положительной ОС. Обычно она используется в

переключательных схемах управления, например, контроллерах температуры, широтно-

импульсных модуляторах, усилителях класса D. Цель занятия: понять, каким образом формируется гистерезис, и обосновать его необходимость в переключательных схемах.

3.2 Краткие теоретические сведения

3.2.1 Инвертирующий регенеративный компаратор

На предыдущем занятии мы обсуждали использование отрицательной ОС. Сейчас рассмотрим положительную ОС (см. рис. 3.1), которая подробно описана в [20].

Соотношение между входным и выходным напряжением приведено в (3.2),

где ß = R1/(R1+R2)

+

-Vss

Рис. 3.1. Инвертирующий триггер Шмитта и характеристики гистерезиса

Рассмотрим три случая.

•Случай 1: |AO × ß|<1. В В этом случае схема ведет себя подобно усилителю и

выходное напряжение линейно зависит от входного. Однако схема очень чувствительна к

изменениям значения |AO × ß|.

•Случай 2: |AO × ß|=1. В этом случае усилитель нестабилен, и наступает режим насыщения усилителя.

•Случай 3: |AO × ß|>>1. При таком соотношении выходное напряжение уже практически не зависит линейно от входного. В этом случае усилитель ведет себя как цифровая система – только два стабильных положения: +VSS и –VSS.

Когда входное напряжение имеет достаточно большое (по абсолютной величине)

отрицательное значение, выходное напряжение составит: +VSS. Когда входное напряжение

достигнет величины ßVSS, схема перейдет в регенеративный режим, и значение выходного напряжения изменится с + VSS до –VSS. Следующее переключение произойдет, когда

входное напряжение составит: – ßVSS. Подобные компараторы называются: триггер

Шмитта. Их применяют в драйверах MOSFET, переключающих контроллерах, импульсных источниках питания, широтно-импульсных регуляторах и усилителях класса D.

Рис. 3.2 Схемное обозначение инвертирующего и неинвертирующего триггеров Шмитта

Рис. 3.3. Неинвертирующий триггер Шмитта и его гистерезис

Схемное обозначение триггера Шмитта приведено на рисунке 3.2а. Схожее

обозначение имеет и неинвертирующий триггер Шмитта (см. рис. 3.2б). Его схема показана на рисунке 3.3.

3.2.2 Нестабильный мультивибратор

Схема нестабильного мультивибратора показана на рисунке 3.4. Этот мультивибратор

генерирует прямоугольные и треугольные импульсы. Коэффициент β является

регенеративным фактором.

Рис. 3.4. Нестабильный мультивибратор и его характеристики

Период колебаний составляет:

(3.4) T = 2 • RC • ln ( 11 +- ββ )

Величина βVss определяет амплитуду колебаний треугольной формы.

3.2.3 Одностабильный мультивибратор (Таймер)

Схема одностабильного регулятора приведена на рисунке 3.6. Форма импульсов запуска показана на рисунке 3.5. Одностабильный мультивибратор остается в положении

«Вкл» в ждущем режиме в течение времени t, затем схема переходит в положение

«Откл».

(3.5) T = RC • ln ( 1 1- β )

Рис. 3.5. Форма запускающих импульсов

Следующий импульс запуска может быть приложен через время t’

(3.6) T = RC • ln ( 1 +β β )

3.3 Выполнение упражнения 2

1. Проектирование регенеративной ОС с гистерезисом ±1 В. Схема приведена на рисунке 3.3. Предварительно рассчитаем гистерезис, и посмотрим, как на него влияет коэффициент регенеративной ОС. Изменим R1 или R2, для того чтобы изменить ß. Приложим ко входу треугольное входное напряжение с амплитудой 10 В и будем наблюдать, как изменяется выходное напряжение. Результаты занесем в таблицу 3.1

Таблица 3.1. Зависимость гистерезиса от регенеративной ОС

1

2

3

4

Рис. 3.6. Одностабильный мультивибратор

(а) Предоставьте параметры статической передаточной функции, полученные при

моделировании в TINA-TI.

(б) Сравните результаты, полученные при эксперименте (см. табл. 3.1) с результатами моделирования.

(в) Изменяйте коэффициент ß регенеративной ОС и наблюдайте изменение ширины

гистерезиса. Изменение ширины гистерезиса пропорционально изменению

коэффициента ß.

2.Спроектируем нестабильный мультивибратор, основанный на триггере Шмитта и

RC-цепочки (см. рис. 3.4.). Зададим частоту переключения 1 кГц.

3.Спроектируем одностабильный мультивибратор (таймер) для t = 10 мс и вычислим

постоянную времени RC из (3.5.).

Глава 4

Лабораторное занятие 3

Интеграторы и дифференциаторы

4.1 Цель эксперимента

Цель эксперимента – оценить преимущества и недостатки использования интеграторов и дифференциаторов для построения фильтров N-го порядка.

4.2 Краткие теоретические сведения

Интеграторы и дифференциаторы могут быть использованы для создания фильтров при аналоговой обработке сигналов для улучшения соотношения сигнал/шум. ОУ применяются для построения интеграторов и дифференциаторов. Лабораторное занятие покажет преимущество использования интеграторов для создания фильтров по сравнению с дифференциаторами.

4.2.1 Интеграторы

Схема интегратора с ОУ показана на рисунке 4.1. Принимая A = GB/s, передаточная функция интегратора будет иметь вид:

1 sCR

V / V =

O i (1 + GB • RC + GBs )

R

C

- Vo

+

Рис. 4.1. Интегратор

На практике выходное напряжение достигает насыщения. Увеличение значений R и C

поможет избежать насыщения, и ОУ будет работать как интегратор.

4.2.2 Дифференциатор

Схема дифференциатора приведена на рисунке 4.2. Вновь полагая, что A = GB/s,

получим передаточную функцию дифференциатора:

При постоянном входном напряжении выходное напряжение равно нулю, но при изменении входного напряжения, например, от случайных помех, ОУ начинает «звенеть»

с собственной частотой ω0.

4.3. Параметры

При фиксированной постоянной времени RC выходные напряжения и фазы идеальных интегратора и дифференциатора не зависят от параметров ОУ.

+

Рис. 4.2. Дифференциатор

4.4 Необходимые измерения

1. Временные характеристики. Приложите ступеньку напряжения и прямоугольную импульсную последовательность ко входу интегратора и наблюдайте выходной сигнал.

Приложите треугольную и прямоугольные импульсные последовательности к входу дифференциатора и наблюдайте выходной сигнал.

2. Частотные характеристики. Приложите синусоидальное входное напряжение ко

входу и оцените ошибку амплитуды и фазы выходных сигналов интегратора и

дифференциатора.

4.5 Оформление результатов занятия

1. Проведите моделирование интегратора и дифференциатора в TINA-TI и получите

переходные и фазовые характеристики.

2.Проведите эксперимент и с помощью осциллографа наблюдайте переходные и фазовые характеристики. Сравните полученные результаты с результатами моделирования.

3.Частотные характеристики. Приложите ко входу интегратора и дифференциатора синусоидальное напряжение, и изменяя частоту, оцените ошибку амплитуды и фазы.

Занесите результаты измерения в таблицы 4.1 и 4.2. На рисунке 4.3 показаны типовые частотные характеристики интегратора и дифференциатора. Как видно из рисунков,

отставание фазы интегратора пропорционально ω/GB. Амплитуда выходного сигнала уменьшается по мере увеличения частоты. В дифференциаторе в районе собственной частоты фаза изменяется очень быстро и прямо пропорциональна добротности.

Таблица 4.1. Зависимость фазы и амплитуды интегратора от входной частоты