4.3. Основні процеси формування та обробки

електричних інформаційних сигналів МЕПОІ

На вхід компаратора 1 (рис.2 ) поступає гармонічний електричний інформаційний сигнал заданої частоти f ( рис. 3а).

На виході компаратора формуються прямокутні імпульси, частота яких співпадає з частотою вхідних сигналів ( рис.3б ), але мають значно більший спектр частот ( тобто одержуєм гармонічні складові f , 2f , 3f , 4f та ін ). Таке перетворення дозволяє за допомогою вибіркового підсилювача 2 виділити третю гармонічну складову і таким чином виконати операцію: «помноження частоти» ( рис.4).

а).

Рис.3. Осцилограми сигналів

на вході ( а ) та виході ( б ) компаратора

б).

а)

Рис.4. Осцилограми сигналів

на вході ( а ) та виході ( б )

вибіркового підсилювача

б)

Гармонічний сигнал частою 3f подається на інформаційний вхід комутатора 5, на керувальний вхід якого подаються прямокутні імпульси релаксаційного генератора 4 ( мультивібратора ) частотою 0.3f . На виході комутатора формується гармонічний сигнал частотою 3f , промодульований прямокутним сигналом частотою 0.3f ( рис.5 ).

а )

Рис.5. Осцилограми сигналів

на керувальному вході ( а ) та

виході комутатора (б )

б)

Складний вихідний сигнал формується за допомогою суматора 6. Крім сигналу з виходу комутатора на вході сумотора діє гармонічний сигнал частотою 0.03f , який формується генератором 3. Сформований на виході суматора складний сигнал ( рис.6-б ) подається на вхід підсилювача потужності 7.

0. .

Рис.6. Осцилограми на виході генератора гармонічних сигналів ( а ) та на виході суматора (б )

Поданий матеріал є загальним для всіх варіантів і може бути використаним в розділі «Системотехнічне проектування». Його мета познайомити студентів з одним із можливих варіантів обробки та передачі електричних інформаційних сигналів в МЕПОІ, що дасть можливість з розумінням загальної задачі розробляти на налагоджувати окремі функціональні вузли на етапі схемотехнічного проектування.

4.4. Схемотехнічне проектування

На цьому етапі проектування РЕА розробляють принципові електричні схеми. В курсовій роботі необхідно реалізувати функціонально-вузловий метод проектування, який базується на використані готових функціональних вузлів (ІМС) для забезпечення формування та передачі інформаційних сигналів у відповідності з функціональною схемою.

Користуючись довідником по аналоговим інтегральним схемам

(наприклад: Булычов А.Л. и др.. Аналоговые интегральные схеми: Справочник /А.Л.Булычов, В.И.Галкин, В.А.Прохоренко.- 2-е изд. Перераб. и доп.- Мн.: Беларусь, 1993.-382 с.: черт. ), для визначених у варіанті завдання ІМС ( операційного підсилювача, підсилювача потужності ) визначити:

- систему умовних позначень;

-- схему вмикання;

- параметри та їх сенс;

- області використання заданих типів ІМС.

Одержані довідкові матеріали дозволяють послідовно розробляти необхідні функціональні вузли МЕПОІ. Принцип дії таких схем, особливості функціонування та побудова з використанням ІМС розглядались на лекціях і описані в підручниках ( наприклад: Руденко В.С. та ін. Промислова електроніка: Підручник/ В.С.Руденко, В.Я.Ромашко, В.В.Трифонюк.- К.: Либідь,1993.-432 с.).

В курсовій роботі задається тип операційного підсилювача ( ОП ). На його базі потрібно створити, смоделювати та налагодити: вибірковий підсилювач ( 2, рис. 2 ), генератор гармонічного сигналу 3, генератор прямокутних імпульсів 4 та суматор 6. Тому першим параграфом в розділі «Схемотехнічне проектування» повинен бути «Операційний підсилювач».

4.4.1. Операційний підсилювач

В цьому розділі необхідно:

- розкрити умовне позначення ОП;

- визначити іноземний аналог;

-накреслити стандартну схему вмикання заданого типу ОП;

- зафіксувати основні параметри ОП та розкрити їх сенс ( див. Довідники та підручник Руденко В.С. та ін. Промислова електроніка: - К.: Либідь, 1993.-432 с. )

4.4.2. Компаратор

Необхідно:

- за довідником довільно вибрати тип компаратора;

• розкрити умовне позначення;

- подати схему вмикання;

• описати основні параметри ( напругу джерела живлення ), визначити мінімальну амплітуду перемикання при подачі гармонічного сигналу);

• описати процеси формування вихідних сигналів та особливості використання.

Амплітуда сигнала підбирається при налаштовувані першого блока та визначається типом вибраного компаратора, що виконується самостійно кожним студентом. Для цього можна скористатись довідниками з інтегральних схем ( наприклад: з 844, Б 908А.Л.Буличов та ін. Аналоговые интегральные схемы – Мн.: Беларусь, 1993.).

Копаратори відносяться до схем амплітудної селекції та порівняння, а тому

мають літерне позначення « СА ». Осцилограми сигналів на вході та виході компаратора подані на рис.3.

4.2.3. Вибірковий підсилювач

Необхідно описати принцип побудови вибіркових підсилювачів на базі ОП та подвійного Т-подібного мосту ( див. Лаб. № 9 ), а також процес формування вихідних гармонічних сигналів. Розрахувати елементи мосту для одержання заданої квазірезонансної частоти 3f . Для цього виберіть індивідуально величину опору резисторів в межах 5 кОм ... 5 Мом та визначте необхідну ємність конденсаторів ( Руденко В.С.... ст .148 ).

З метою налаштовування та експериментального визначення квазірезонансної частотти вибіркового підсилювача в середовищі EWB, побудуйте принципову електричну схему ( рис.7а), замінивши значення опорів резисторів та ємностей конденсаторів значеннями, одержаними в результаті проведених розрахунків для одержання заданної частоти 3f . Ця частота з похибкою + чи -- 20% повинна зафіксуватись на екрані та у віконцях Bode Ploter ( рис.7б ).

Рис.7. Принципова електрична схема подвійного Т-подібного

мосту ( а ) та його АЧХ на екрані Bode Ploter

Після налаштування моста та визначення номіналів резисторів та конденсаторів для одержання квазірезонансної частоти, формується принципова електрична схема вибіркового підсилювача на базі ОП та подвійного Т-подібного моста ( рис. 8а ). Після налаштування підсилювача необхідно одержати його АЧХ

( рис.8б ). При цьому бажано використати закордонний аналог ОП, заданого у технічному завданні.

Рис.8. Принципова електрична схема вибіркового підсилювача ( а )

та його АЧХ (б ) зі значенням величини квазірезонансної частоти ( 1 кГц )

Для наведеного прикладу підсилювач забезпечує вибіркове підсилення на частоті 1 кГц. В подальшому налаштовувані частота гармонічного сисигналу функціонального генератора встановлюється рівно в тричі меншою ( тобто f ).

В пояснювальній записці необхідно подати такий рисунок зі значенням частоти 3f яка співпадає з варіантом. Це досягається додатковим експекриментальним підбором значень опорів та ємностей. Бажано моделювати підсилювач з використанням аналога заданого типу ОП. Якщо не виходить, скористуйтесь віртуальною моделю ОП ( рис.8). Після досягнення необхідного результату, сформуйте принципову схему помножувача частоти ( рис.9 ), який охоплює 1-й та 2-й блоки функціональної схеми ( рис.. 2 ).

Рис. 9. Принципова електрична схема помножувача частоти (а) та

осцилограми на вході пристрою, на виході компоратора і виході

вибіркового підсилювача

Зверніть увагу: на вхід МЕПОІ поступає гармонічний сигнал заданої частоти. Компаратор працює в ключовому режимі та формує прямокутні імпиульси заданої частоти, які складаються з багатьох гармонічних складових. За допомогою вибіркового підсилювача виділяється треття гармонічна складова, що використовується для помноження частоти.

4.2.4. Автоколивальний мультивібратор ( блок 3 )

Генератор прямокутних імпульсів будується за поширеною схемою на базі заданого типу ОП ( рис.10 ) ( 5, ст. 205 ). Для визначення величин опорів та ємності необхідно скористатись формулами, поданими в підручнику. На виході мультивібратора формуються прямокутні імпульси частотою 0.3....( рис.11).

Рис. 10. Принципова електричнасхема автоколивального мультивібратора (а ) та осцилограми (б )

4.2.5. Комутатор ( блок 4 )

В курсовій роботі пропонується для побудови комутатора використовувати напівпровідникові діоди, які вмикаються зустрічно, а значить за любої полярності інформаційних сигналів один із діодів буде вмикатись в зворотному напрямі. Для засвоєння процесів формування імпульсів за допомогою діодного комутатора спочатку сформуйте схему, подану на рис. 11а. Великий опір одного із діодів забезпечить зменшення коєфіцієнта передачі комутатора до нуля. Якщо на керувальний вхід комутатора (на аноди діодів ) постуває позитивний сигнал , обидва діоди переводяться в режим прямого вмикання. Їх опори суттєво зменшуються, що забезпечує зростання коєфіцієнта передачі до одиниці. Таким чином на виході комутатора формується сигнал тільки на протязі дії керувального сигналу ( рис.11б).

4.2.6. Генератор гармонічного сигналу ( блок 3 )

Задана частота гармонічного сигналу ( 0.03 f ) входить до області низьких частот, а тому для побудови генератора доцільно використати частотозалежні RC- схеми. В курсовій роботі генератор рекомендується побудувати на базі ОП та послідовно-паралельної частотно- вибіркової схеми ( моста Вінна, рис. 12 ). Така схема є в бібліотеці функціональних елементів програми «Multisim 10». Доцільно скористатись цією схемою, але необхідно розрахувати величини ємностей конденсаторів та опорів резісторів для запезпечення формування гармонічних сигналів заданої

Частоти ( лаб.№ 9, / 5 /, с.181 ).

Рис.11.Принципова електрична схема комутатора та

осцилограми імпульсів на інформаційному вході ( а ),

на керувальному вході комутатора ( б ) та його виході ( в )

Рис. 12. Принципова електрична схема генератора

гармонічних коливань (а ) та осцилограми сигналів

При налаштовувані генератора необхідно звернути увагу на положення движка потенціометра R1, який вмикається в коло негативного зворотного зв`язку. Якщо опір збільшується ( до 20 кОм ), збільшується негативнийзворотний зв`язок. При цьому може порушитись баланс амплітуд ( одна з умов виникнення незгасаючих електричних коливань ). При зменшені опору потенціометра до 10...20 % умови самозбудження генератора виконуються в деякому діапазоні частот ( особливість амплітудно-частотної характеристики моста Вінна ), а це означає, що на виході будуть формуватись майже прямокутні імпульси (рис.13а). Якщо збільшити нагативний зворотний зв`язок коливання згасаютьть ( рис.рис.13б ). Корекцію форми імпульсів з метою формування гармонічного сигналу виконують встановленням оптимального рівня негативного зворотного зв`язку, тобто зміною положення движка потенціометра. Це приблизно на рівні 85...95 % (рис.13в ).

а)

б)

Рис.13.Осцилограми на виході генератора

за різного ступеня негативного зворотного

зв`зку: а – генерація в широкому діапазоні;

б) зрив генерації; в) оптимальний рівень

негативного зворотного зв`язку

в)

4.2.7. Суматор ( блок 6 )

Цей функціональний блок будується на базі ОП, тип якого визначається за варіантом. В курсовій роботі рекомендується використати інвертувальне вмикання ОП. З метою засвоєння принципу дії суматорів та набуття навиків їх налаштовування сформуйте принципову схему, подану на рис. 14а. Для забезпечення підсилення на лінійній ділянці передавальної характеристики ОП необхідно експериментально підібрати рівень вхідних сигналів, для чого в схемі необхідно передбачити потенціометри на виході комутатора та генератора гармонічного сигналу. На виході суматора необхідно сформувати складний сигнал ( рис.14б ).

Рис.14. Принципова електрична схема суматора (а), значення експериментальних частот (б), осцилограми на виході (в)

При налагодженні суматора необхідно попередньо разрахувати вагові коефіцієнти окремо для кожного джерела вхідних сигналів. В пояснювальній записці необхідно подати такі коефіцієнти. Це дозволить грамотно налаштувати суматор в курсовій роботі. При налаштуванні МЕПОІ необхідно одержати осцилограми, подані на рис. 15.

Рис.15 Осцилограми : а) на виході генератора керувальних імпульсів; б) на виході комутатора; в) на виході генератора гармонічних сигналів; г) на виході суматора.

4.2.8. Підсилювач потужності ( ПП ) ( блок 7. )

За потужністю, вказаною у варіанті завдання ( за останньою цифрою номера залікової книжки ), в довідниках по інтегральним аналоговим схемам визначити тип ІМС. Максимальна потужність такої схеми повинна

співпадати або незначно перевищувати потужність, задану для відповідного варіанта.

В пояснювальній записці подається схема вмикання вибранного ПП, описуються його призначення та параметри. При моделювані пристрою в EWB доцільно скористатись схемою ПП, поданою на рис.16. Вона описана в конспекті лекцій та підручниках ( закрема / /, с.152 ).

Зверніть увагу: схема виконана на моделях реальних транзисторів.

Підсилювач попереднього підсилення виконано на транзисторі 1N1711 9

( аналог транзистора КТ60Е типу n-p-n). Вихідний каскад побудований на комплементарній парі: BD 237 ( аналог КТ817Г типу n-p-n ) та BD534

( КТ818Б типу p-n-p ). В пояснювальній записці необхідно подати параметри згаданих транзисторів, експериментально за графіками визначити коефіцієнт підсилення за напругою вихідних емітерних повторювачів, для чого слід скористатись візірними лінійками ( рис.18 ).

Рис.16. Безтрансформаторний підсилювач потужності

4.2. 9. Принципова електрична схема МЕПОІ

Схемотехнічне проектування закінчується розробкою повної принципової електричної схеми МЕПОІ. Варіант такої схеми подано на рис.17.

Рис.17. Повна принципова електрична схема МЕПОІ

Номери компонентів на схемі необхідно проставити у відповідності із вимогами ДСТУ.

Схемотехнічне проектування завершається розробкою електричних принципових схем всіх функціональних блоків та загальної електричної принципової схеми МЕПОІ, які розробляються у відповідності з вимогами Державних стандартів.

Рис.18. Осцилограми на виході: а) генератора керувальних

імпульсів; б) комутатора; в) генератора гармонічних сигналів;

г) МЕПОІ