Analog_System_Lab_Manual_ru

4. Временные характеристики. Приложите прямоугольную импульсную последовательность напряжения VP ко входу интегратора. Изменяйте амплитуду входного напряжения и контролируйте изменение выходного напряжения от пика до пика VPP. Это напряжение прямо пропорционально VP: VPP = (VP×T)/2RC, где T = 1/f, f – частота входного напряжения. Полученные результаты запишите в таблицу 4.3. На рисунке 4.4

показаны результаты, полученные на симуляторе.

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

Частотные характеристики интегратора и дифференциатора

V1

Рис. 4.4. Выходные напряжения интегратора и дифференциатора при входных сигналах в

виде прямоугольной и треугольной импульсных последовательностей

Рис. 4.5. Интегратор Deboo

Глава 5

Лабораторное занятие 4

Аналоговые фильтры

5.1 Цель занятия

Изучить принцип действия 4 типов фильтров второго порядка: фильтра низких частот

(ФНЧ), фильтра высоких частот (ФВЧ), полосового фильтра (ФП), заграждающего фильтра

(ФЗ). Определить их частотные характеристики: АЧХ и ФЧХ.

5.2 Краткие теоретические сведения

На основе фильтров второго порядка создаются фильтры более высоких порядков: N>2. Если N – нечётное число, то фильтр реализуется с помощью (N – 1)/2 фильтров второго порядка и фильтра первого порядка. Если N – чётное число, то фильтр реализуется с помощью N/2 фильтров второго порядка. Более подробно теория активных фильтров изложена в [19].

Существует 4 типа фильтров второго порядка, их передаточные функции приведены в

таблице 5.1. В таблице приняты обозначения: ω0 = 1/RC; H0 – коэффициент усиления на низкой частоте. На этом занятии мы опишем универсальный активный фильтр,

обеспечивающий все функциональные возможности: ФНЧ, ФВЧ, ФЗ, ФП.

Рис. 5.1. Универсальный активный фильтр второго порядка

На рисунке 5.1 показан фильтр второго порядка, реализованный на двух интеграторах.

Обратите внимание – различные выходы ОУ являются выходами всех четырех типов

фильтров: ФНЧ, ФВЧ, ФЗ, ФП.

5.3 Частотные характеристики фильтров

АЧХ и ФЧХ фильтров показаны на рисунке 5.2. Обратите внимание, что АЧХ ФНЧ имеет пик на частоте

ω = ω0

Рис. 5.2. Амплитудно- и фазочастотные характеристики фильтров: ФНЧ, ФВЧ, ФЗ и ФП

Таблица 5.1. Передаточные характеристики активных фильтров

Фильтр низких частот (ФНЧ)

Фильтр высоких частот (ФВЧ)

Фильтр полосовой (ФП)

Фильтр заграждающий (ФЗ)

5.5 Необходимые измерения

1.Подключите прямоугольную импульсную последовательность (f = 1 кГц и f = 10 кГц)

квходу ФП и ФЗ и измерьте напряжения на выходе фильтров.

•На выходе ФП также должна быть импульсная последовательность той же частоты с амплитудой 4VP/πH0Q, где VP – амплитуда входного сигнала.

•Выходной сигнал ФЗ будет представлять собой гармоники прямоугольной последовательности. Частота гармоник отлична от частоты входного сигнала.

2.Частотные характеристики. Приложите ко входу синусоидальное напряжение и наблюдайте амплитуду и фазу выходного сигнала

5.6.Оформление результатов занятия

1.Проведите моделирование на симуляторе TINA-TI фильтров ФП и ФЗ для установившегося режима.

2.Сравните результаты моделирования и экспериментально полученные результаты.

3.Частотные характеристики. Приложите ко входу синусоидальное напряжение и,

изменяя частоту входного сигнала, снимите АЧХ и ФЧХ. Их вид должен совпадать с

приведенными выше. Результаты запишите в таблицы 5.2 и 5.3

Таблица 5.2. Частотные характеристики ФП при ω0 = 1 кГц, Q = 1

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

5.7 Выполнение упражнения 4.

1.Фильтры высшего порядка создаются с помощью каскадирования фильтров

второго порядка и, при необходимости, фильтра первого порядка. Спроектируйте ФНЧ

фильтр Баттерворта третьего порядка, используя программу FilterPro. Получите

частотные и переходные характеристики. Параметры фильтра: ω0 = 2∏×104 и H0 = 10.

2.Спроектируйте ФЗ-фильтр для ослабления частоты питающей сети 50 Гц. Для испытания этого фильтра синтезируйте колебания V(t) = sin(100∏t) + 0,1 sin(200∏t) и приложите ко входу фильтра. Какой выходной сигнал вы получите?

5.8 Схожие микросхемы

На рисунке 5.1. изображен универсальный активный фильтр. Такой фильтр можно получить с использованием микросхемы UAF42 компании Texas Instruments. Мы

предлагаем вам использовать эту микросхему и изучить ее особенности. Техническая

документация UAF42 доступна на www.ti.com. Рекомендации по применению изложены в

[7], [11] и [12].

Глава 6

Лабораторное занятие 5

Самонастраивающиеся фильтры

6.1 Цель занятия

Цель занятия – изучить концепцию самонастраивающихся фильтров. Суть идеи –

подобрать постоянную времени RC таким образом, чтобы фаза выходного сигнала была сдвинута относительно фазы входного сигнала на 90°. Необходимо будет использовать

анализатор искажений и анализатор спектра для изучения гармоник основной частоты.

6.2 Краткие теоретические сведения

Для проектирования самонастраивающихся фильтров и для следующих работ мы должны более полно изучить аналоговый умножитель. Подробные сведения о нем

приведены в [21]. В ASLKv2010 используется умножитель MPY634 компании Texas

Instruments.

VY

Рис. 6.1. Аналоговый умножитель

На рисунке 6.1 показано схемное обозначение умножителя, а ниже приведено соотношение для вычисления выходного сигнала

(6.1) VO = Voffset + KX • VX + KY • VY + KO • VX •VY + ξ

где: ξ – отражает нелинейность преобразования,

KX и KY – отражают паразитное прохождение сигнала,

K0 – коэффициент нормализации, который определим из соотношения:

Vr = 1/ K0.

Для прецизионного умножителя Vr < Vx и Vy< Vr. Следовательно, выходной сигнал прецизионного умножителя: V0 = (Vx × Vy)/Vr.

Если бы на лабораторном занятии 4 заменили интегратор на умножитель, то получили бы фильтр, управляемый напряжением (или фазовый генератор управляемый напряжением). На рисунке 6.2 показан самонастраивающийся фильтр. Выходное напряжение фильтра, а также управляющее напряжение приведено на рисунке 6.3.

6.2.1 Умножитель в качестве фазового детектора

На рисунке 6.1 примем:

(6.2)

Тогда выходной сигнал умножителя составит:

(6.3)

ФНЧ подавит высокочастотную составляющую, и выходной сигнал приобретет вид:

(6.4)

(6.5)

KPD – чувствительность фазового детектора, его размерность, В/радиан.

При φ = 90°, VAV = 0. Эта информация используется для настройки фильтра,

управляемого напряжением. Фильтр, управляемый напряжением, вкупе с фазовым детектором и компаратором называется самонастраивающимся фильтром. На рисунке 6.2 ω0 фильтра, управляемого напряжением, задана соотношением:

Поэтому

Чувствительность фильтра, управляемого напряжением:

Выходные параметры ФНЧ:

Следовательно, чувствительность фильтра, управляемого напряжением:

При изменении частоты входного напряжения сдвиг фазы выходного сигнала

относительно входного будет поддерживаться равным 90°, если VAV = 0.

6.3 Параметры

Предположим, что частота входного сигнала составляет 1 кГц, и выберем полосовой фильтр с высокой добротностью и центральной частотой 1 кГц.

Таблица 6.1. Изменение выходной амплитуды в функции частоты входного сигнала

Входное напряжение =

6.4 Необходимые измерения

6.4.1 Временные характеристики

Приложите ко входу напряжение в виде прямоугольной импульсной последовательности и наблюдайте выходное напряжение полосового фильтра – основную частоту и гармоники.

6.5 Оформление результатов занятия

1.Проведите моделирование схемы на симуляторе TINA-TI и определите временные характеристики схемы.

2.Снимите осциллограммы и сравните полученные экспериментальным путем результаты с результатами моделирования.

3.Измерьте амплитуду основной частоты (на выходе полосового фильтра) при различной частоте и фиксированной амплитуде входного сигнала и занесите результаты

втаблицу 6.1.

Амплитуда выходного сигнала должна оставаться постоянной при изменении частоты входного сигнала в пределах диапазона регулирования.

6.5.1 Выполнение упражнения 5

1.Определите диапазон регулирования спроектированного самонастраивающегося

фильтра. В этом диапазоне амплитуда выходного сигнала должна быть равна HO×Q×VI и оставаться постоянной при изменении частоты входного сигнала.

2.Повторите описанный выше эксперимент с иной формой входного сигнала, например, при треугольном сигнале.

6.5.2 Схожие микросхемы

Texas Instruments производит также усилители управляемые напряжением (например,

VCA820) и умножающие ЦАП (такие как DAC7821), которые могут быть использованы при построении аналогового умножителя. Более подробную информацию можно получить в руководствах по применению на сайте: www.ti.com.

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

Рис. 6.3. Выходной сигнал самонастраивающегося фильтра, полученный посредством моделирования на симуляторе TINA-TI

Глава 7

Лабораторное занятие 6

Функциональный генератор и осциллятор, управляемый напряжением

7.1 Цель занятия

Цель занятия состоит в том, чтобы научится проектировать функциональные генераторы, способные генерировать напряжения прямоугольной и треугольной формы

заданной частоты. Затем мы преобразуем генератор в управляемый напряжением

осциллятор, применяемый во многих приложениях.

7.2 Краткие теоретические сведения

Функциональный генератор включает триггер Шмитта и интегратор, охваченные

петлей обратной связи. Если интегратор заменить на комбинацию умножителя и

интегратора, то получим управляемый напряжением осциллятор (УНО), ему соответствует англоязычный термин – Voltage Controlled Oscillator

(VCO). Более подробные сведения можно получить в [26]. Схема функционального

генератора показана на рисунке 7.1, а его выходное напряжение – на рисунке 7.2.

Выходное напряжение прямоугольной формы создается на выходе триггера Шмитта, а напряжение треугольной формы – на выходе интегратора.

Частота колебаний составляет f = (1/4RC)×(R2/R1).

Рис. 7.1. Функциональный генератор

При замене в схеме функционального генератора интегратора на комбинацию аналогового умножителя и интегратора получим УНО (см. рис. 7.3). Частота на выходе

УНО определится соотношением:

KVCO – чувствительность УНО является важнейшим параметром и определяется из выражения:

(7.1)

УНО находит применение во многих приложениях. Он используется в частотной

модуляции FSK/FM в модуляторе МОДЕМа. Он используется также при фазовой автоподстройке частоты, которую мы изучим на следующем занятии, в усилителях класса D, в импульсных источниках питания.