Analog_System_Lab_Manual_ru

Рис. 7.2. Осциллограмма напряжений функционального генератора

7.3 Параметры

Спроектируем функциональный генератор с прямоугольной и треугольной формой выходных импульсов частотой 1 кГц.

7.4 Необходимые измерения

Определим частоту выходной последовательности импульсов. Теоретически она

описывается выражением:

При преобразовании функционального генератора в управляемый напряжением осциллятор чувствительность последнего выразится соотношением dfS/dVC.

7.5 Оформление результатов занятия

1. Проведите моделирование на симуляторе TINA-TI и распечатайте графики выходного напряжения генератора.

Рис. 7.3. Регулируемый напряжением осциллятор

2.Соберите на наборе ASLKv2010 функциональный генератор и снимите осциллограммы его выходного напряжения. Сравните их с результатами моделирования.

3.Изменяйте напряжение управления генератором и контролируйте изменение частоты сигнала генератора. Запишите результаты в таблицу 7.1 и вычислите чувствительность

7.6 Выполнение упражнения 6

1.Спроектируйте функциональный генератор с выходными импульсами прямоугольной и треугольной формы и частотой 10 кГц.

2.Приложите импульсную прямоугольную последовательность амплитудой 2 В к осциллятору, управляемому напряжением, и наблюдайте эффект частотной модуляции.

Глава 8

Лабораторное занятие 7

Фазовая автоподстройка частоты

8.1 Цель занятия

Цель занятия состоит в том, чтобы студенты поняли функциональное назначение устройства фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ, в англоязычной транскрипции –

Phase Locked Loop, PLL). ФАПЧ применяется во множестве приложений для стабилизации частот свыше 100 МГц.

8.2 Краткие теоретические сведения

Пьезокристаллы способны генерировать стабильную частоту в диапазоне от сотен килогерц до нескольких мегагерц. Если требуется большая частота, то приходится прибегать к дополнительному устройству – аналоговому умножителю частоты, который умножает опорную частоту на заданный коэффициент. Эти схемы и называются ФАПЧ.

Более подробную информацию можно найти в [22]. ФАПЧ использует два устройства.

Одно из них – самонастраивающиеся фильтры были описаны в лабораторной работе 6, а

другое – управляемый напряжением фазовый генератор – в лабораторной работе 7. Если

заменить управляемый напряжением генератор на управляемый напряжением фильтр,

получим ФАПЧ (см. рис. 8.1)

Рис. 8.1. Схема ФАПЧ (а) и ее характеристики (б)

Чувствительность ФАПЧ задается коэффициентом KVCO:

(8.1)

здесь ω = VC/(4VR×RC) – частота осциллятора, управляемого напряжением. Отсюда:

(8.2)

(8.3)

Когда управляющее напряжение не приложено, выходная частота осциллятора составляет ω0Q и связана с напряжением управления VCQ. Если входное VI напряжение имеет ту же частоту, что и ω0Q, то ФАПЧ продолжает работать на этой же частоте. Фаза выходной частоты ФАПЧ находится между фазами напряжений VCQ и VI. Это объяснялось в лабораторном занятии 6. Поскольку частота входного сигнала изменяется,

соответственно изменяется и напряжение управления так, чтобы удерживать стабильной

выходную частоту. В результате этого фаза выходного сигнала меняется относительно входного сигнала вплоть до сдвига на 90°. Диапазон изменения входной частоты, при котором частота выходного сигнала остается неизменной, называется диапазоном фиксации. Если KPD выражает чувствительность системы, то диапазон фиксации выразится формулой:

(8.4)

В обе стороны от частоты ω0Q.

8.3 Задание на проектирование

Спроектируйте ФАПЧ с диапазоном фиксации 1 кГц при частоте ω0Q = 1 кГц.

8.4 Необходимые измерения

1.Измерьте диапазон фиксации системы.

2.Измерьте диапазон изменения фазы выходного сигнала в зависимости от изменения входной частоты в пределах диапазона фиксации.

Рис. 8.2. Образец выходного сигнала ФАПЧ

при входном сигнале прямоугольной формы

3. Изменяйте частоту входного сигнала и контролируйте изменение управляющего напряжения. Сравните выходные характеристики с показанными на рисунке 8.2. На этом

рисунке размах сигнала прямоугольной импульсной последовательности составляет ±10 В, а амплитуда выходного сигнала: ±5 В. Треугольные импульсы – другой выход ФАПЧ.

Управляющее напряжение меняется (показанное на рисунке тонкой линией изменяется

незначительно).

8.5 Оформление результатов занятия

1.Проведите моделирование на симуляторе TINA-TI.

2.Соберите схему ФАПЧ на ASLKv2010 и наблюдайте на осциллографе форму сигналов. Сравните их с полученными на симуляторе.

3.Измерьте изменение фазы выходного сигнала при изменении частоты выходного

сигнала в пределах диапазона фиксации. Занесите результаты в таблицу 8.1.

4.Изменяйте частоту входного сигнала и наблюдайте изменение управляющего

напряжения. Результаты запишите в таблицу 8.2.

Таблица 8.1. Изменение фазы сигнала в функции входной частоты

Таблица 8.2. Изменение управляющего напряжения в функции входной частоты

8.6 Выполнение упражнения 7

1.Спроектируйте ФАПЧ с диапазоном фиксации 10 кГц и частотой ω0 = 10 кГц

2.Спроектируйте синтезатор частоты 1 МГц, ко входу которого подключен 100-кГц кристалл (см. рис. 8.3).

Рис. 8.3. Структурная схема синтезатора частоты

Глава 9

Лабораторное занятие 8

Автоматическое управление усилением/Автоматическая регулировка громкости

9.1 Цель занятия

В выходных каскадах электронных систем из-за того, что входной сигнал может изменяться в широком диапазоне, часто требуется усилитель с переменным

коэффициентом усиления. Поэтому такие системы проектируются с обратной связью. В

лабораторной работе мы рассмотрим такие системы.

9.2 Краткие теоретические сведения

Подробное изложение этого вопроса содержится в [2]и [25]. В электрической цепи

входной сигнал часто изменяется в широких пределах. Например, сигнал датчика

существенно зависит от воздействия на него. Для того чтобы система была работоспособна, следует спроектировать усилительный тракт таким образом, чтобы его

коэффициент усиления изменялся при работе – автоматическое регулирование усиления

(АРУ). Если мы поддерживаем выходной сигнал постоянным, то такая схема называется:

автоматическая регулировка уровня (АРУр). На рисунке 9.1 показана схема АРУ.

Рис. 9.1. Схема АРУ/АРУр

Vpo

Vpi

Vi

Рис. 9.1. Схема АРУ/АРУр

Типовые характеристики вход/выход показаны на рисунке 9.2. Как видно из рисунка,

выходное напряжение остается постоянным

при превышении входным напряжением значения Vpi =

9.3 Задание на проектирование

Спроектируйте систему АРУ/АРУр, установите пиковое ограничении сигнала равным

2В.

9.4 Необходимые измерения

Передаточная функция. Снимите зависимость величины выходного сигнала от

входного.

9.5 Оформление результатов занятия

1.Проведите моделирование схемы (см. рис. 9.1) на симуляторе TINA-TI и постройте график изменения выходного сигнала. В качестве выходного сигнала используйте синусоидальный сигнал фиксированной частоты.

2.Соберите на наборе ASLKv2010 схему АРУ (см. рис. 9.1). Снимите осциллограммы

выходного напряжения и сравните с результатами, полученными при моделировании.

3.Снимите график выходного напряжения. Число точек графика должно быть довольно велико. Остается ли выходное напряжение постоянно при изменении входного?

Начиная с какого значения входного напряжения, выходное напряжение не изменяется?

Занесите результаты измерения в таблицу 9.1. График, полученный вами, должен иметь

тот же вид, что и график на рисунке 9.3.

9.6 Выполнение упражнения 8

1.Определите полосу захвата схемы АРУ, используемой в занятии. Полоса захвата определяется как диапазон входного напряжения, при котором выходное напряжение не изменяется.

2.Спроектируйте схему АРУ/АРУр с пиковым значением выходного синусоидального

сигнала равным 4 В.

Рис. 9.3. Схема АРУ и диаграммы напряжений

Глава 10

Лабораторное занятие 9

DC/DC-преобразователь

10.1 Цель занятия

Цель занятия – разработать DC/DC-преобразователь, состоящий из ОУ общего применения и компаратора, и изучить его характеристики. Другая цель: изучить характеристики микросхемы DC/DC-преобразователя, для чего мы выбрали преобразователь TPS40200, выпускаемый Texas Instruments. Эта микросхема входит в состав ASLKv2010. Мы будем стремиться спроектировать высокоэффективный DC/DC-

преобразователь для широкого спектра применений, среди которых импульсные источники питания, аудиоусилители класса D и т.д.

10.2 Краткие теоретические сведения

Более подробная информация по этому вопросу содержится в [15] и [24]. Треугольное выходное напряжение функционального генератора, который мы изучали на лабораторном занятии №8, подается на вход компаратора. Другой выход компаратора подключен к источнику опорного напряжения. Такая схема работает как широтноимпульсный модулятор (ШИМ).

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

Коэффициент заполнения определяется соотношением: τ/Т = ½ (1 Vref / Vp)

где T = 1/f – период следования треугольного входного напряжения. Коэффициент заполнения прямо пропорционален опорному напряжению VREF. Если к выходу компаратора подключить фильтр нижних частот без потерь (например, LC-фильтр), как

показано на рисунке 10.1, то на выходе фильтра будет постоянное напряжение.

(10.1) Vav = - Vref • Vss / Vp

Таким образом, мы получили DC/DC-преобразователь с высокой энергоэффективностью.

10.3 Задание на проектирование

Спроектируйте DC/DC-преобразователь с частотой переключения 10 кГц, для создания опорного напряжения выберите источник с напряжением 5 В.

10.4Оформление результатов занятия

1.Проведите моделирование компаратора на симуляторе TINA-TI и постройте графики изменения регулируемого выходного и нерегулируемого выходного напряжений

компаратора. Схема импульсного источника питании приведена на рисунке 10.2. V3 –

нерегулируемое входное напряжение, VO – регулируемое выходное напряжение. Выходное напряжение резистивного делителя R1, R2 составит VF1 = VO × R2/(R1 + R2).

Выход делителя подключается к компаратору. Другой вход компаратора подключен к

опорному напряжению V2. Выходной сигнал компаратора изменяется таким образом, чтобы поддерживать постоянное напряжение на выходе источника питания.

(10.2, 10.3) Vo = Vf2 • (1 + R1/R2) = V2 • (1 + R1/R2)

2.Соберите на ASLKv2010 DC/DC-преобразователь и наблюдайте его напряжения, как описано выше. Сравните полученные результаты с результатами моделирования.

3.Постройте график изменения напряжения VAV в функции изменения VREF.

Занесите полученные результаты в таблицу 10.1. Получилась ли линейная зависимость?

4.Постройте график изменения цикла t/T функции изменения опорного напряжения VREF. Занесите результаты в таблицу 10.2. Получилась ли линейная зависимость?

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

10.5 Выполнение упражнения 9

1. Объясните, как можно применить ключ PMOS, чтобы построить схему усилителя класса D на основе изученного нами DC/DC-преобразователя. Нарисуйте схему. Нужно

ли использовать диод и почему?

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

2.Проведите описанный выше эксперимент с микросхемой DC/DC-преобразователя TPS40200 и сравните результаты.

3.Спроектируйте DC/DC-преобразователь с частотой переключения 100 кГц. Выберите источник опорного напряжения 5 В.